Wissen Können Beispiel, Anwendung

Grundwissen Physik 9
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Grundwissenkatalog Physik, Klasse 9; Wolfgang-Borchert-Gymnasium Langenzenn, 16. Juni 2000
Wissen
Reibungskraft
• Die Reibungskraft
r
FR wirkt entgegen
der
Bewegungrichtung
eines Körpers
• Zusammenhang mit
r
der Normalkraft FN :
F R = µR F N
(µR
ist der
Reibungskoeffizient)
• Man unterscheidet
Haft-, Gleit- und
Rollreibung
Können
•
Bei vorgegebenen
Alltagssituationen die
Richtung auftretender
Reibungskräfte
nennen
Beispiel, Anwendung
•
Je steiler der Hang, desto kleiner ist die Normalkraft und
desto kleiner ist auch die zu überwindende Reibungskraft
•
Nützliche Reibung bei Fahrzeugbremsen, störende
Reibung beim Antrieb von Fahrzeugen und in Motoren
•
Flaschenzug (ideal, ohne Reibung) zur Verdeutlichung der
Goldenen Regel der Mechanik:
•
Reibungskoeffizienten
experimentell
bestimmen
• Unterschiede
zwischen den drei
Reibungsformen Haft, Gleit- und
Rollreibung an
Beispielen erklären
Arbeit und
mechanische Energie • An Hand von
• Goldene Regel der
Alltagsbeispielen von
Kraftwandlern die
Mechanik: „Das
Goldene Regel der
Produkt aus
Mechanik erläutern
zurückgelegtem Weg
s und längs des
• Verrichtete Arbeit
Weges
durch Messung der
aufzuwendender
wirkenden Kraft und
Kraft F bleibt bei
des zurückgelegten
Kraftwandlern (ohne
Weges bestimmen
Reibung) gleich!“;
kurz: F s = const.
• Das Produkt aus
r
Betrag der Kraft F
in Richtung des
Weges und Länge s
des Weges ist die
längs des Weges
verrichtete Arbeit
W; kurz: W = F s
• Mechanische
Energie ist das
Vermögen, Arbeit zu
verrichten.
Man erkennt: FG s1 = FZ s2
•
Schiefe Ebene, Hydraulische Presse, Hebel
Drei Arten
mechanischer Energie • Vorgegebene
• Wagen wird durch gespannte Feder beschleunigt und rollt
• Höhenenergie
Bewegungen in
Berg hinauf bis zum Umkehrpunkt
(potentielle E): Epot
Alltagssituationen
hinsichtlich der
1
1
= mgh
2
vorkommenden Arten
(Masse m, Ortsfaktor
Hier gilt (ohne Reibung): Eges = 2 Ds² = 2 m v max =
mechanischer
Energien
g, Höhe h)
• Ein Perpetuum mobile existiert nicht
analysieren und
• Bewegungsenergie
• Bergauf mit dem Fahrrad ausrollen bis zum Stillstand
beschreiben
(kinetische E):
• Mechanische Energien
1
berechnen und die
Ekin = 2 mv²
Werte vergleichen und
(Masse m,
einordnen
Geschwindigkeit v)
• Die Aussage des
• Spannenergie:
Energieerhaltungssatzes
an Alltagsbeispielen
verdeutlichen
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1
Esp = 2 Ds²
(Federhärte D,
Dehnung bzw.
Stauchung s)
• Energieerhaltung:
Die Gesamtenergie
Eges bleibt in einem
geschlossenem
System konstant.
Wirkungsgrad und
Leistung
• Wirkungsgrad
WNutzen
η=
WAufwand ; [η] =
Bedeutung des
Wirkungsgrades
hinsichtlich der
Effektivität eines
Systems an
1
Beispielen erklären
• η ≤ 100%
• Wirkungsgrade
unterschiedlicher
• Unter der Leistung
Systeme berechnen
P versteht man den
• Unterschied bzw.
Quotienten aus der
Zusammenhang
verrichteten Arbeit W
zwischen Leistung,
und der dafür
Arbeit und Energie
benötigten Zeit t:
erklären
W
P=
•
Typische Leistungen
kurz:
t ; [P]
technischer Geräte
J
(Fahrzeuge,
elektrische
= 1 Watt = 1W = 1 s
Verbraucher,
P
Kraftwerke) nennen
η = Nutzen
PAufwand
•
und einordnen
Temperatur und
Volumenänderung
• Die meisten Körper
dehnen sich beim
Erhitzen aus
• Thermometer
nutzen die von der
Temperatur
abhängige
Ausdehnung (z.B.
von Flüssigkeiten)
zur Anzeige
verschiedener
Temperaturen
• Die CelsiusTemperaturskala hat
als Nullpunkt (0°C)
die Temperatur
eines Eis-WasserGemischs und den
Siedepunkt von
Wasser als 100°CMarke.
Symbol: ϑ = 20°C
(griech.: theta; ϑ )
Volumenänderung bei
Gasen
• Absoluter Nullpunkt
•
•
Wirkungsgrad eines Ottomotors im PKW. Der Groß
aufgewandten Energie geht durch Wärme (Erhöhung der
sog. inneren Energie Ei von Umgebungsluft etc.) ungenutzt
verloren:
hier:
η=
ENutzen
E
25
= chem =
= 25%
EAufwand
Ekin
100
•
Leistungsangaben bei Fahrzeugen (in Kilowatt kW):
•
Leistungen von elektrischen Geräten (Glühlampe 100 W)
und Kraftwerken (500 MW)
Aufbau und
• Quecksilber- und Alkoholthermometer
Funktionsweise eines • Bi-Metall-Thermometer
Flüssigkeitsthermometers
• Wassergefüllte, geschlossene Glasflaschen platzen, wenn
erklären
der Inhalt gefriert
• Unbeschriftetes
• Erosion von Felsen mit wassergefüllten Rissen durch
Flüssigkeitsthermometer Frost
eichen, also z.B. im
• Dehnfugen in Fußböden oder bei Brücken wegen
Experiment eine Celsius- jahreszeitlichen Temperaturschwankungen
Skala anbringen
•
•
Experiment zur
Abschätzung des
•
Messung zum Gesetz von Gay-Lussac mit zugehörigem
T-V-Diagramm mit Extrapolation zum absoluten Nullpunkt
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Es gibt eine
absoluten Nullpunkts
der Temperaturskala
kleinstmögliche
beschreiben
Temperatur. Sie
• Zusammenhang
beträgt -273°C
zwischen absoluter
• Schnelle Zustandsänderung einer abgeschlossenen
(„absoluter
Luftmenge in einer Pumpe:
und CelsiusNullpunkt“).
Temperatur erklären
• Absolute
und Werte umrechnen
Temperatur (KelvinSkala)
Die absolute
Temperatur T in der
Einheit Kelvin (K) hat
bei -273°C ihren
Nullpunkt!
kurz: -273°C =$ 0
K
• Die Maßzahl einer
Celsius-Temperatur (
ϑ ) ist immer um
273 größer als die
entsprechende
Kelvin-Temperatur
(T)
• Gesetz von GayLussac:
„Volumen V und
Temperatur T einer
abgeschlossenen
Gasmenge sind bei
konstantem Druck p
proportional
zueinander.“
kurz: V ∼ T
V
= const.
bzw. T
wenn p = const.
• Zustandsgleichung
idealer Gase:
Bei jeder
Zustandsänderung
einer
abgeschlossenen
Gasmenge ist das
Produkt aus Druck p
und Volumen V
proportional zur
Temperatur T.“
kurz: pV ∼ T
pV
= const.
bzw. T
Innere Energie und
Wärmekapazität
• Erklären, wie
• Wirkt längs eines
Reibungsarbeit
Weges s die
verrichtet wird und
Reibungskraft FR auf
gemessen werden
kann
einen Körper, so
• Erklären, weshalb nur
wird an ihm die
die Änderung ∆Ei der
Reibungsarbeit WR
inneren Energie
verrichtet. Es gilt WR
angegeben werden
= FR . s
kann, nicht aber die
•
Reibung erhöht die Temperatur eines Körpers
(Temperaturänderungen der Fläche an der sich der K
reibt, sollen näherungsweise nicht auftreten bzw. sehr
klein sein):
Beim Rutschen auf einer Spielplatzrutsche erwärmt sich
die Hose
• Heißgelaufene Radlager führen bei LKWs oft zu
Reifenbränden!
• Bremsklötze und Bremsscheiben werden sehr heiß
•
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•
Die Reibungsarbeit gesamte Ei
WR, die an einem
• ∆Ei bei gegebener
Körper verrichtet
Situation berechnen
wird, führt zu einer
• Erklären, was man
Temperaturerhöhung
unter der spezifischen
∆ϑ. Dem Körper wir
Wärmekapazität c
hierbei Energie, sog.
versteht
innere Energie (∆Ei)
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•
Glühende Bremsscheiben bei Formel1-Rennwägen
•
Brownsche Molekularbewegung: „Rauchteilchen unter
dem Mikroskop“:
zugeführt. Es gilt ∆Ei
= WR
•
Die Änderung der
inneren Energie
eines Körpers wird
durch ∆Ei = c m ∆ϑ
beschrieben. c ist die
spezifische
Wärmekapazität: [c]
J
= 1 gK
Interpretation von c:
„Die spez.
Wärmekapazität gibt
an, welche
Energiemenge pro 1
K
Temperaturerhöhung
und 1 g Masse des
Stoffes
aufgenommen
werden kann.“
J
• cWasser = 4,19 gK
(im Vergleich zu
anderen Stoffen ein
sehr großer Wert!)
•
Teilchenbewegung
und Temperatur
• Erklären, wie man
sich im
• „Je höher die
Teilchenmodell kaltes
Temperatur eines
Gases ist, desto
und wärmeres Gas
schneller bewegen
vorstellt
sich die
• Experiment zur
Gasmoleküle.“
Beobachtung der
• Brownsche
Brownschen
Molekularbewegung:
Molekularbewegung
Die schnelle
beschreiben
Bewegung von
Gasmolekülen führt
zu „heftigen“ Stößen
z.B. mit
beobachtbaren
Rauchteilchen.
Diese führen dann
ungeordnete
Zitterbewegungen
aus, die man im
Mikroskop
beobachten kann.
Grundlagen der
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Lichtausbreitung
• Licht breitet sich
geradlinig aus
• Die
Lichtgeschwindigkeit
c beträgt im Vakuum
km
etwa 300 000 s
Reflexion und
Brechung
• Reflexionsgesetz:
Licht wird an einer
spiegelnden Fläche
so reflektiert, dass
die zum Lot hin
gemessenen Einund Ausfallswinkel
gleich sind. (Lot,
einfallender und
reflektierter Strahl
liegen in einer
Ebene!)
• Das „Abknicken“
eines Lichtstrahls
beim Übergang an
einer Grenzfläche
zwischen zwei
Materialien nennt
man (Licht-)
Brechung.
• Brechungsgesetz:
Beim Übergang von
einem optisch
dünneren in ein
optisch dichteres
Material wird ein
Lichtstrahl zum Lot
hin gebrochen
Optische Instrumente
• Sammellinsen
bündeln das Licht
hin zu einem
Brennpunkt. Der
Brennpunkt befindet
sich im Abstand f,
der sog. Brennweite
von der Linse
entfernt.
• Linsenwirkungen
beruhen
ausschließlich auf
der Brechung der
Lichtstrahlen an den
Übergängen LuftGlaslinse und
Glaslinse-Luft!
• Befindet sich ein
Gegenstand
außerhalb der
Brennweite, so
erzeugt die Linse ein
reelles Bild, befindet
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•
Beispiele aus dem
• Der Laserstrahl kann als sehr enges Lichtbündel aus
Alltag zur geradlinigen
näherungsweise parallelen Lichtstrahlen, die sich
geradlinig ausbreiten, betrachtet werden
Lichtausbreitung
nennen
• Das Licht einer Punktlichtquelle breitet sich geradlinig und
gleichmäßig in alle Richtungen aus:
•
•
Entstehung scharfer Schattenumrisse
Licht braucht von der Sonne ca. 8 min und vom Mond ca.
1 s zur Erde
Gesetze der
• Reflexion eines Lichtstrahls an einer spiegelnden Fl
Reflexion und
und Brechung am Übergang zwischen zwei Materialien;
Brechung nennen
Die Lichtwege sind umkehrbar!
• Einfache
Brechung
Reflexion
Alltagsphänomene
• Mit Spiegeln „um die Ecke gucken“
der Reflexion und
Brechung erklären
• Gegenstände im Wasser liegen - von außerhalb
betrachtet - scheinbar an einer anderen Stelle, als man sie
• Erklären, weshalb
man auf glatten
greifen kann
Wasseroberflächen
Wolken, Bäume etc.
sehen kann
• Erklären, weshalb ein
schräg ins Wasser
gehaltener Stab
geknickt erscheint
•
Experimentelle
Bestimmung der
Brennweite einer
Sammellinse
• Erzeugung eines
reellen Bildes eines
Gegenstandes auf
einem Schirm durch
passende Wahl von
Abständen bei
vorgegebener Linse
mit Brennweite f
• Erklären, wie die
bündelnde Wirkung
einer Sammellinse zu
Stande kommt
• Unterschied
zwischen reellem und
virtuellem Bild
erklären
•
•
Durchgang eines Lichtsrahls durch eine dicke
Sammellinse mit zweifacher Brechung:
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er sich innerhalb, wird
ein virtuelles Bild
erzeugt.
Licht, Farbe und
Dispersion
• Zusammensetzung
•
• Weißes Licht ist aus
bzw. Zerlegung
•
Spektralfarben
weißen Lichts aus
(„Regenbogenfarben“)
Spektralfarben bzw. in
zusammengesetzt
Spektralfarben an
Hand von
• Lichtstrahlen
Alltagsbeispielen
werden - je nach
beschreiben
Farbe unterschiedlich stark • Erklären, wie man ein
gebrochen. Diesen
kontinuierliches FarbEffekt nennt man
Spektrum erzeugen
Dispersion.
kann
• Ein Prisma zerlegt
ein enges weißes
Lichtbündel in ein
breiteres
kontinuierliches
Farb-Spektrum
• Rotes Licht wird
weniger stark
gebrochen als
blaues
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Regenbogen
Prisma spaltet weißes Licht in seine Spektralfarben auf
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