Teil II (Jahrgangsstufe 11) - Melanchthon Gymnasium Nürnberg
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Physik-Skript Teil II Melanchthon-Gymnasium Nürnberg Volker Dickel 3. überarbeitete Auflage, 2014 2. überarbeitete Auflage, 2012 1. Auflage 2009 Inhaltsverzeichnis EINLEITUNG: ELEMENTARTEILCHEN UND WECHSELWIRKUNGEN ......................................................................... 1 1. WECHSELWIRKUNGEN................................................................................................................................................ 1 2. ELEMENTARE TEILCHEN .............................................................................................................................................. 3 ELEKTROMAGNETISMUS I: STATISCHE ELEKTROMAGNETISCHE FELDER ............................................................... 7 1. STATISCHE ELEKTRISCHE FELDER ................................................................................................................ 7 1.1. KRAFTWIRKUNG ELEKTRISCHER FELDER ................................................................................................................ 7 1.2. INFLUENZ ...................................................................................................................................................... 8 1.3. GEOMETRIE ELEKTRISCHER FELDER ..................................................................................................................... 9 1.3.1. Elektrisches Feld einer Punktladung ...................................................................................................... 9 1.3.2. Elektrisches Feld zweier Punktladungen ................................................................................................ 9 1.3.3. Elektrisches Feld eines ausgedehnten Metallkörpers .......................................................................... 10 1.3.4. Elektrisches Feld einer Metallkugel ..................................................................................................... 10 1.3.5. Spitzenentladung ................................................................................................................................. 10 1.3.6. Elektrisches Feld einer geladenen, sehr großen Metallplatte ............................................................. 11 1.3.7. Elektrisches Feld zweier großer, paralleler Metallplatten ................................................................... 11 1.3.8. Faradayscher Käfig .............................................................................................................................. 11 1.4. ELEKTRISCHE FELDSTÄRKE ............................................................................................................................... 12 1.5. ENERGIE IM ELEKTRISCHEN FELD....................................................................................................................... 13 1.5.1. Verschiebungsarbeit im homogenen Feld ........................................................................................... 13 1.5.2. Potentielle Energie .............................................................................................................................. 14 1.6. DAS POTENTIAL ............................................................................................................................................ 15 1.7. ELEKTRISCHE SPANNUNG ................................................................................................................................ 17 1.8. EXKURS: ENERGIEEINHEITEN ............................................................................................................................ 18 1.9. DER PLATTENKONDENSATOR ........................................................................................................................... 18 1.10. DIE BESTIMMUNG DER ELEMENTARLADUNG (MILLIKAN‐EXPERIMENT) .................................................................... 20 2. STATISCHE MAGNETISCHE FELDER ........................................................................................................... 22 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. FESTKÖRPERMAGNETISMUS ............................................................................................................................ 22 ERZEUGUNG MAGNETISCHER FELDER DURCH ELEKTRISCHE STRÖME ........................................................................ 23 MAGNETISCHE KRAFT AUF BEWEGTE LADUNGEN ................................................................................................. 24 MAGNETISCHE FLUSSDICHTE ........................................................................................................................... 24 LORENTZKRAFT ............................................................................................................................................. 25 ANWENDUNGEN ........................................................................................................................................... 26 3. BEWEGUNG IN ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHEN FELDERN ................................................................. 27 3.1. BEWEGUNG IM HOMOGENEN ELEKTRISCHEN FELD ............................................................................................... 27 3.1.1. Bewegung im elektrischen Längsfeld .................................................................................................. 27 3.1.2. Bewegung im elektrischen Querfeld .................................................................................................... 28 3.2. BEWEGUNG IM HOMOGENEN MAGNETISCHEN FELD ............................................................................................. 30 3.3. PHÄNOMENE UND ANWENDUNGEN .................................................................................................................. 31 3.3.1. Der Hall‐Effekt: Messung der magnetischen Flussdichte .................................................................... 31 3.3.2. Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons ........................................................................... 31 3.3.3. Massenspektrometer .......................................................................................................................... 32 3.3.4. Zyklotron ............................................................................................................................................. 33 3.3.5. Polarlicht ............................................................................................................................................. 34 RELATIVITÄTSTHEORIE ...................................................................................................................................... 35 4. SPEZIELLE RELATIVITÄTSTHEORIE (SRT) .................................................................................................... 35 4.1. RELATIVISTISCHE MASSENVERÄNDERLICHKEIT ..................................................................................................... 35 4.2. RELATIVISTISCHE ENERGIE ............................................................................................................................... 36 4.2.1. Gesamtenergie .................................................................................................................................... 36 4.2.2. Kinetische Energie ............................................................................................................................... 37 4.2.3. Energie‐Impuls‐Beziehungen ............................................................................................................... 38 4.3. GRUNDLAGEN DER SRT .................................................................................................................................. 39 4.4. DIE GALILEI‐TRANSFORMATION ....................................................................................................................... 39 4.5. DIE KONSTANZ DER LICHTGESCHWINDIGKEIT ...................................................................................................... 40 4.6. KONSEQUENZEN FÜR RAUM UND ZEIT ............................................................................................................... 40 4.6.1. Relativität der Gleichzeitigkeit ............................................................................................................ 40 4.6.2. Zeitdilatation ....................................................................................................................................... 41 4.6.3. Längenkontraktion .............................................................................................................................. 44 5. ALLGEMEINE RELATIVITÄTSTHEORIE (ART) ............................................................................................... 44 ELEKTROMAGNETISMUS II: DYNAMISCHE ELEKTROMAGNETISCHE FELDER........................................................ 47 6. ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION ........................................................................................................ 47 6.1. ERZEUGUNG ELEKTRISCHER WIRBELFELDER ........................................................................................................ 47 6.1.1. Experiment: Ringentladungsröhre ....................................................................................................... 47 6.1.2. Magnetischer Fluss .............................................................................................................................. 47 6.1.3. Das Induktionsgesetz ........................................................................................................................... 47 6.1.4. Besonderheit elektrischer Wirbelfelder ............................................................................................... 48 6.1.5. Das Wechselspiel elektrischer und magnetischer Felder ..................................................................... 48 6.2. WIRKUNG ELEKTRISCHER WIRBELFELDER AUF LEITERSCHLEIFEN .............................................................................. 49 6.2.1. Induktionsstrom und Lenzsche Regel .................................................................................................. 49 6.2.2. Induktionsspannung bei unterbrochenen Leitern – Induktionsgesetz ................................................. 51 6.2.3. Weitere Beispiele elektromagnetischer Induktion ............................................................................... 53 6.2.4. Zur Interpretation der el.‐mag. Induktion als Folge der Lorentzkraft .................................................. 57 6.3. ANWENDUNGEN ELEKTROMAGNETISCHER INDUKTION .......................................................................................... 59 6.3.1. Stromgenerator ................................................................................................................................... 59 6.3.2. Transformator ..................................................................................................................................... 59 6.3.3. Wirbelstrombremse ............................................................................................................................. 60 6.3.4. Gebrauchsgegenstände des „Alltags“ ................................................................................................. 61 6.4. SELBSTINDUKTION ......................................................................................................................................... 62 6.4.1. Ein‐ und Ausschaltvorgänge bei Stromkreisen mit einer Spule ........................................................... 62 6.4.2. Induktivität einer Spule ....................................................................................................................... 64 6.5. FELDENERGIE ............................................................................................................................................... 65 6.5.1. Energie des elektrischen Feldes ........................................................................................................... 65 6.5.2. Energie des magnetischen Feldes ........................................................................................................ 66 7. EXKURS: DIFFERENTIALGLEICHUNGEN ..................................................................................................... 67 7.1. ENTLADEKURVE DES KONDENSATORS ................................................................................................................ 67 7.2. EIN‐ UND AUSSCHALTSTROM BEI EINER SPULE .................................................................................................... 68 7.2.1. Einschaltvorgang ................................................................................................................................. 68 7.2.2. Ausschaltvorgang ................................................................................................................................ 69 8. ELEKTROMAGNETISCHE SCHWINGUNGEN ............................................................................................... 70 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. ELEKTROMAGNETISCHER SCHWINGKREIS ............................................................................................................ 70 HERLEITUNG DES ZEITLICHEN STROMVERLAUFS IM SCHWINGKREIS .......................................................................... 71 ERZEUGUNG UNGEDÄMPFTER ELEKTROMAGNETISCHER SCHWINGUNGEN ................................................................. 73 ERZWUNGENE SCHWINGUNGEN UND RESONANZ ................................................................................................ 73 VOM SCHWINGKREIS ZUM HERTZSCHEN DIPOL ................................................................................................... 75 9. ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN .............................................................................................................. 78 9.1. ERZEUGUNG ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN ................................................................................................... 78 9.2. INTERFERENZ UND BEUGUNG ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN ............................................................................. 80 9.2.1. Stehende elektromagnetische Wellen ................................................................................................. 80 9.2.2. Beugung am Einfachspalt .................................................................................................................... 80 9.2.3. Das Doppelspaltexperiment ................................................................................................................ 81 9.2.4. Reflexion und Brechung elektromagnetischer Wellen ......................................................................... 85 9.3. POLARISATION .............................................................................................................................................. 87 9.4. BESTIMMUNG DER LICHTGESCHWINDIGKEIT ....................................................................................................... 88 9.4.1. Historische Experimente ...................................................................................................................... 88 9.4.2. Moderne Messung der Lichtgeschwindigkeit ...................................................................................... 89 9.4.3. Lichtgeschwindigkeit und Feldkonstanten .......................................................................................... 90 9.5. DAS ELEKTROMAGNETISCHE SPEKTRUM ............................................................................................................. 90 9.6. ANWENDUNG: RUNDFUNKTECHNIK .................................................................................................................. 91 ANHANG .......................................................................................................................................................... 95 A. GRUNDBEGRIFFE DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE .................................................................................................................. 95 1. Größen ........................................................................................................................................................... 95 2. Messprozesse ................................................................................................................................................ 97 3. Gesetze .......................................................................................................................................................... 97 B. BEISPIELE: TEILCHEN IN ELEKTRISCHEN FELDERN ........................................................................................................... 99 1. Teilchen in homogenen Feldern .................................................................................................................... 99 2. Teilchen im Coulomb‐Feld ........................................................................................................................... 100 3. Teilchen in komplexeren Feldern ................................................................................................................ 103 INDEX ..................................................................................................................................................................... 107
