PHYSIK GRUNDWISSEN 8

NuT-PHYSIK:
GRUNDWISSEN 7. KLASSE
METHODIK
METHODE
BEISPIEL
Modellvorstellungen:
Naturwissenschaft benutzt Modelle, um Vorgänge in
der Natur quantitativ zu beschreiben und
vorherzusagen.
Lichtstrahlen – gedacht als unendlich schmale Lichtbündel – benutzen wir, um die geradlinige Ausbreitung von Licht sowie seine Reflexion und Brechung
an Grenzflächen zu beschreiben.
Dokumentation von Experimenten:
Ein Versuchsprotokoll, bestehend aus Fragestellung,
Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung, soll ein Experiment so genau beschreiben, dass ein anderer das Experiment mit Hilfe
des Protokolls wiederholen kann.
Fragestellung: Welche Stoffe leiten elektrischen
Strom gut, welche schlecht?
Versuchsaufbau: Materialliste, Schaltskizze
Durchführung: Beschreibung des Vorgehens. Dokumentation der Ergebnisse in einer Tabelle oder einem
Diagramm.
Auswertung: Alle Metalle leiten el. Strom gut, Plastik,
Holz etc. leiten el. Strom schlecht.
Strukturiertes Lösen von Aufgaben:
Die Aufteilung in gegebene Größen, gesuchte Größen, Lösungsweg und Antwort erleichtert das Verständnis von Aufgabenstellung und Lösung.
Rechnen mit geltenden Ziffern:
Rechenergebnisse können nicht genauer sein als die
Messwerte, aus denen sie berechnet werden.
Rechnen mit Einheiten:
Alle Rechnungen werden mit den physikalischen
Einheiten durchgeführt. So erhält man die richtige
Einheit für das Ergebnis und eine Kontrolle für
Rechenfehler.
Ein Kugelstoßer beschleunigt die 7,25 kg Kugel beim
Stoß 0,20 s lang mit einer Kraft von 400 N.
Berechne die Geschwindigkeit der Kugel im Moment
des Loslassens.
Geg.: m = 7,25 kg, F = 400 N, t = 0,20 s
Ges.: Geschwindigkeit v
Lösung: v = a . t und a = F/m = 400 N / 7,25 kg =
55,2 N/kg = 55,2 (kg m)/(kg s2) = 55,2 m/s2
v = a . t = 55,2 m/s2 . 0,20 s = 11 m/s
Antwort: Die Geschwindigkeit beträgt 11 m/s
Strecke: 0,045 km hat zwei geltende Ziffern
(Vornullen zählen nicht dazu).
Zeit: 10,0 s hat drei geltende Ziffen (Endnullen
zählen dazu) .
Die “Geschwindigkeit = Strecke / Zeit” hat nur zwei
geltende Ziffern: v = 4,5 m/s.
Vergleiche die Aufgabe zum Punkt: Strukturiertes
Lösen von Aufgaben.
Musteraufgabe:
Bestimme mit einem Strommessgerät, Kabeln und einer 4,5 V Batterie den Widerstand eines
Glühlämpchens.
Lösung:
Versuch: Batterie, Strommessgerät und Lämpchen werden mit Kabeln in Reihe geschaltet und der fließende
Strom I = 0,125 A abgelesen.
Modellannahmen: Die Widerstände von Kabel, Spannungsquelle und Messgerät werd vernachlässigt.
Auswertung: Der Widerstand des Lämpchens ist R = U / I = 4,5 V / 0,125 A = 36 Ω .
Da die Spannung nur zwei geltende Ziffern hat, kann auch der Widerstand nur auf zwei geltende Ziffern
bestimmt werden.
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GRUNDWISSEN 7. KLASSE
OPTIK
ERKLÄRUNG
Modellvorstellung:
Die geradlinige Lichtausbreitung wird durch
Lichtstrahlen dargestellt.
Reflexionsgesetz:
Einfallender Strahl, Lot auf den Spiegel im
Auftreffpunkt und reflektierter Strahl liegen in
einer Ebene.
Einfallswinkel α = Reflexionswinkel α ′
Entstehung des Spiegelbilds:
Beim Spiegelbild scheint das Licht von einem
(nicht vorhandenen) Gegenstand hinter dem
Spiegel zu kommen. Es ist ein virtuelles Bild.
Man sieht das Spiegelbild genauso weit hinter
dem Spiegel wie der Gegenstand selbst davor
steht.
Brechung:
Neben dem gebrochenen Lichtstrahl tritt auch
noch ein reflektierter Strahl auf.
Beim Übergang vom optisch dünneren zum
optisch dichteren Medium wird der Strahl zum
Lot hin gebrochen.
Beim Übergang vom optisch dichteren zum
optisch dünneren Medium wird der Strahl vom
Lot weg gebrochen.
Überschreitet der Lichtstrahl beim Übergang
vom optisch dichteren zum optisch dünneren
Medium den Einfallswinkel αgr, so tritt Totalreflexion ein. Man bezeichnet αgr als Grenzwinkel der Totalreflexion.
Abbildung an einer Sammellinse:
Der Parallelstrahl vor der Linse wird zum
Brennpunktstrahl hinter der Linse.
Der Brennpunktstrahl vor der Linse wird zum
Parallelstrahl hinter der Linse.
Der Mittelpunktstrahl geht geradlinig durch
die Mitte der Linse.
Der Bildpunkt ergibt sich als Schnittpunkt der
gebrochenen Lichtstrahlen.
VERANSCHAULICHUNG
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Elektrizitätslehre – Atommodell
GRÖSSE
FORMEL
Elektrische Ladung
Positive elektrische Ladung
Negative elektrische Ladung
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an
Atommodell
EINHEIT
Atomkern:
Protonen:
Trägerteilchen der postiven Elementarladung
Neutronen:
Kleben Protonen zu einem winzigen Kern zusammen
Atomhülle:
Elektronen:
Trägerteilchen der negativen Elementarladung,
umschwirren in großem Abstand den Atomkern in
“Elektronenwolke“
Elektrisch neutrales Atom.
Modellvorstellung
elektrischer Strom
Freie Elektronen in Metallen
Elektrischer Strom als Fluss von Elektronen im
metallischen Leiter von Minus- zu Pluspol.
Technische Stromrichtung
Magnetismus
Stabmagnet,
Nord- und Südpol
Hufeisenmagnet
Wirkungen des elektrischen
Stroms
Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms,
Elektromagnet
Elektrische Stromstärke
I
[I] = 1 A (Ampere)
Elektrische Spannung
U
[U] = 1 V (Volt)
Elektrischer Widerstand
R=
Elektrischer Stromkreis
Pluspol,
Minuspol
Schaltsymbole für Gleich- und Wechselstromquelle,
Schalter, Glühlampe, Amperemeter und Voltmeter,
U
I
[ R] = 1
V
= 1 Ω (Ohm)
A
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Elektrizitätslehre – Atommodell: Musteraufgaben
1. Zum Atommodell
a. Die nebenstehende Abbildung zeigt den modellhaften Aufbau
eines Atoms. Erläutere die Begriffe Atomkern und Elektronenwolke.
b. Warum tragen manche Teilchen ein Plus-, andere ein Minusund wieder andere gar kein Zeichen?
c. Wie viele Protonen enthält der Atomkern? Sieht man sie alle
auf dem Bild?
Lösung:
Der Kern befindet sich im Zentrum des Atoms und ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Die Elektronen kreisen sehr schnell um den Kern herum und bilden so die Elektronenwolke. Die Elektronen sind elektrisch negativ geladen und tragen deshalb ein Minuszeichen. Die Protonen sind elektrisch positiv geladen
und tragen deshalb ein Pluszeichen. Die elektrisch neutralen Neutronen halten die Protonen entgegen ihrer
Abstoßung im Kern. Die Zahl der Protonen im Kern ist 8 und stimmt mit der Zahl der Elektronen in der
Elektronenwolke überein. Alle 8 Protonen sind zu sehen. Nach außen ist das Atom elektrisch neutral.
2. Zu Magnetismus und Wirkungen des elektrischen Stroms
a. Was ist in der Elektrizitätslehre der Unterschied zwischen Nord- und Südpol, bzw. Plus- und
Minuspol?
b. Zeichne einen einfachen Stromkreis, in dem alle vier Pole einmal vorkommen.
Lösung:
Der Nordpol ist dasjenige Ende einer auf einer lotrechten Achse drehbar gelagerten Kompass- oder Magnetnadel, das sich nach Norden ausrichtet. Das andere Ende heißt Südpol. Plus- und Minuspol heißen die
Anschlüsse einer Batterie bzw. Gleichstromquelle.
Die Zeichnung enthält eine Stromquelle mit Plus- und Minuspol sowie eine stromdurchflossene Spule mit
Eisenkern als Elektromagnet. Die Enden des Eisenkerns sind dann Nord- bzw. Südpol des Elektromagneten.
N
S
3. Zum elektrischen Stromkreis
a. Welche Schalter müssen geschlossen werden, damit beide Lampen
leuchten?
b. Welche Schalter musst du schließen, damit nur Lampe L1 leuchtet?
c. Die Batterie besitzt die Spannung
6,0 V. Der Widerstand der Glühbirne L1 beträgt 3,0 Ω. Berechne die
Stromstärke in der Lampe L1 bei der Schalterstellung wie in Aufgabe b.
d. Wie viele Schalter kannst du höchstens schließen, ohne dass eine Lampe leuchtet? Welche
sind das?
Lösung:
Damit beide Lampen leuchten, müssen die Schalter S1, S2, S4 und S5 geschlossen werden. Schalter S3 bleibt
offen. Zum ausschließlichen Leuchten der Lampe L1 müssen alle Schalter außer S4 geschlossen werden.
R=
6,0 V
U
U
⇒ I=
⇒ I=
⇒ I = 2,0 A
3,0 Ω
I
R
Wenn einer der Schalter S1 bzw. S2 bzw. S5 geöffnet bleibt, können die übrigen 4 geschlossen werden, ohne
dass eine Lampe leuchtet.
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Mechanik
GRÖSSE
Weg s
Zeit t
Geschwindigkeit v
Beschleunigung a
a=
1.
Kraft F
FORMEL
Δs
v=
Δt
EINHEIT
[s] = 1 m
[t] = 1 s
km
m
[v] = 1 =3,6
s
h
m
[a] = 1 2
s
Δs: Ortsdifferenz
Δt: Zeitdifferenz
Δv: Geschw.differenz
Δv
Δt
Auf einen Körper wirkt die Kraft vom
Betrag 1 N, wenn dieser in 1 s auf die
Geschwindigkeit 1 m beschleunigt wird.
s
2.
Eine Kraft ist die Ursache für eine Änderung der Geschwindigkeit oder der Bewegungsrichtung eines Körpers.
1 N =1
kg ⋅ m
(Newton)
s2
Richtung
Die Kraft besitzt eine Richtung, einen Betrag
und einen Angriffspunkt (Vektor).
Kraft F als Vektor (Pfeil)
F
Angriffspunkt
Betrag
Newtonsche Gesetze
1.
Wirkt auf einen Körper keine Kraft, so
ändert sich auch sein Bewegungszustand
nicht. Das heißt der Körper behält Betrag
und Richtung der Geschwindigkeit bei.
2.
F = m.a
3.
Kräfte treten nur paarweise auf:
r
Greift der Körper A mit der Kraft F1 am
Körper B an, so übt B auf A die Gegenr
kraft F2 vom gleichen Betrag und entgegengesetzter Richtung aus.
1.
Kräfteparallelogramm
2.
F2
r
F1
A
B
r
Die Kräfte F1 und F2 werden mit Hilfe
des Kräfteparallelogramms zu der Ersatzr
kraft F12 zusammen gesetzt.
F1
F 12
r
Umgekehrt: Die Kraft F12 kann in die
r
r
F2
Kräfte F1 und F2 zerlegt werden.
Gewichtskraft FG oder G
Masse m
Ortsfaktor g
F
g= G
m
⇔
[FG] = 1 N
[m] = 1 kg
FG = m . g
F
(Def. von D)
Δs
F
D =
= const.
Δs
[g] = 1
D :=
Dehnung Δs
Federhärte D
(Hookesches Gesetz)
Δs=l1 – l0
l0
N
kg
[s] = 1 m
l1
Δs
[D] = 1
N
m
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Mechanik: Musteraufgaben
Aufgabe 1:
Holger fährt um 1215 mit dem Moped von München nach Ulm, um seine Großeltern zu besuchen.
Die Kilometeranzeige des Mopeds zeigt 15625 km. Um 1600 kommt er bei den Großeltern an. Die
Kilometeranzeige zeigt nun 15775 km. (Unterwegs hat er noch eine Pause eingelegt!)
a) Berechne die mittlere Geschwindigkeit, mit der er die Strecke von München zu den Großeltern
zurück gelegt hat.
b) Wann wäre er bei den Großeltern angekommen, wenn er die ganze Strecke mit der konstanten
km
Geschwindigkeit v = 50
zurück gelegt hätte?
h
Lösung:
a) Gegeben:
km
v = 50
b) Gegeben: Δs= 150km,
s1=15625km, s2=15775km,
h
t1 = 12h 15min,
t2 = 16h 00min
Gesucht: Δt =?
Gesucht: v=?
Δs= s2- s1=150km,
Δt= t2 - t1 = 3h 45min
Δs
Δs
⇒
Δt =
Δt
v
150km 150 km ⋅ h
⇒ Δt =
=
= 3,0h
km
50 km
50
h
v=
2 km 2 60 km
Δs
km
⇒ v=
= ⋅
= 40
1
3 ⋅ 60 h 3 1 h
Δt
h
Antwort:
km
Die mittlere Geschwindigkeit beträgt 40
.
h
v=
Antwort: Er wäre um 1515 angekommen.
Aufgabe 2:
Eine unbelastete Schraubenfeder der Länge lo = 10 cm wird bei einer Belastung von F1 = 2,7 N auf
die Länge l1 = 25 cm gedehnt.
a) Berechne die Federhärte D der Feder.
b) An die unbelastete Schraubenfeder wird eine Kugel der Masse 200 g gehängt. Um welche
N
Strecke wird die Feder gedehnt? (Rechne mit g = 9,8 !)
kg
a)
Gegeben:
l0 = 10 cm, l1 = 25 cm, F1 = 2,7 N
Gesucht: D = ?
Δs = l1- l0 = 15 cm,
D=
b)
2,7 N
N
F
⇒ D=
= 0,18
15 cm
cm
Δs
Gegeben:
D = 0,18
Gesucht: Δs = ?
F
D=
⇒
Δs
0,20 kg ⋅ 9,8
Δs =
N
0,18 cm
N
,
cm
Δs =
N
kg
F
D
= 11 cm
Antwort: Die Federhärte D beträgt 0,18
N
.
cm
m = 200 g
⇒
Δs =
m ⋅g
D
(mit F = m . g)
Antwort: Die Feder wird um 11cm gedehnt.