9. Klasse
Werbung
224 Grundwissen Physik Jahrgangsstufe 9 Feldlinie N S 1 Feld eines Stabmagneten Elektronenbewegung 2 Linke-Faust-Regel Elektronenbewegung Magnetfeldlinien F Kraft 3 Linke-Hand-Regel Polwender 4 Elektromotor N Magnetfelder Das Magnetfeld eines Magneten oder eines stromführenden Drahts bewirkt, dass andere Magnete und Körper aus Eisen (Nickel, Cobalt) in ihrer Umgebung eine magnetische Kraft erfahren. ↑1 ↑2 Feldlinien sind eine Modellvorstellung, um Felder zu veranschaulichen und ihre Kraftwirkungen zu beschreiben. Durch jeden Punkt in der Umgebung eines Magneten (geladenen Gegenstands, Körpers mit Masse) kann man sich eine Feldlinie vorstellen. Feldlinien schneiden sich nie. Je größer die Kräfte in einem Feldbereich sind, desto dichter zeichnen wir die Feldlinien. Magnetfelder können Energie speichern und wieder abgeben. Magnetische Kräfte auf elektrische Ströme Auf stromführende Drähte wirken in Magnetfeldern Kräfte. Diese Kräfte sind umso größer, je größer die Stromstärke ist, je stärker das Magnetfeld ist, je länger das Drahtstück im Feld ist und je näher der Winkel zwischen Feldlinien und Draht an 90° liegt. Die Kraftrichtung auf einen stromführenden Draht (senkrecht zu den Magnetfeldlinien) wird durch die „Linke-Hand-Regel“ beschrieben. ↑3 Im Elektromotor wird eine stromführende Spule durch die magnetischen Kräfte gedreht. ↑4 Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte geladene Teilchen im Feld eines Magneten. Elektronen, die sich senkrecht zu den Feldlinien bewegen, werden gemäß der „Linke-Hand-Regel“ abgelenkt. Induktion Während sich die Anzahl der gezeichneten Magnetfeldlinien ändert, die die Querschnittsfläche von Drahtwindungen durchsetzen, tritt zwischen den Drahtenden eine Induktionsspannung auf (Induktionsgesetz). ↑6 Je rascher die Änderung erfolgt, desto größer ist die Induktionsspannung. Im Generator werden eine Spule und ein Magnet so gegeneinander bewegt, dass durch Induktion eine Wechselspannung entsteht. ↑7 In einem angeschlossenen Stromkreis entsteht dadurch Wechselstrom. Beim Transformator ruft der Wechselstrom in der Primärspule ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern hervor, das seinerseits eine Wechselspannung an der Sekundärspule bewirkt. ↑8 An der Spule mit größerer Windungszahl liegt auch die größere Spannung. In der Spule mit kleinerer Windungszahl fließt der größere Strom. Die Stromstärke in Fernleitungen wird durch Hochtransformieren der Spannung verringert. Dadurch sinkt die Verlustleistung P = R · I2 der Leitungen. Induktionsströme sind immer so gerichtet, dass sie der Induktionsursache entgegenwirken (Regel von Lenz). Uind Up = 20 V~ Np = 200 5 Induktion (Beispiel) 9783464853184 Inhalt_S224 224 6 Generator Us = 40 V~ Ns = 400 7 Transformator 25.08.2008 12:18:12 Uhr 225 Jahrgangsstufe 9 Bewegungsabläufe in Diagrammen Die grundlegenden Informatio­nen über die geradlinige Bewegung eines Gegenstands lassen sich in einem Zeit-Ort-Diagramm (t-x-Diagramm) und in einem Zeit-GeschwindigkeitDiagramm (t-v-Diagramm) darstellen. Der Verlauf der Graphen gibt Aufschluss über die Bewegung. ↑8 Diagramm Verlauf des Graphen Tatsächliche Bewegung horizontal geradlinig ansteigend Gegenstand bewegt sich nicht. Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit nach vorn. Je steiler der Graph ansteigt, desto schneller bewegt sich der Gegenstand. Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit zurück. Gegenstand wird beschleunigt. Gegenstand wird abgebremst. Zeit-Ort x in cm 40 20 0 –20 geradlinig abfallend 1,0 2,0 3,0 t in s immer steiler ansteigend immer flacher ansteigend Zeit-Geschwindigkeit v positiv horizontal v in m s 1,0 geradlinig ansteigend 2,0 0 3,0 t in s geradlinig abfallend 1,0 immer steiler ansteigend immer flacher ansteigend v negativ –1,0 Vorwärtsbewegung Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Gegenstand wird mit konstanter Beschleunigung schneller. Gegenstand wird mit konstanter Beschleunigung abgebremst. Gegenstand wird schneller, Beschleunigung nimmt zu. Gegenstand wird schneller, Beschleunigung nimmt ab. Rückwärtsbewegung 8 Bewegungsfunktionen Bewegungsverläufe lassen sich mathematisch durch Zeit-Ort- und Zeit-Geschwindigkeit-Funktionen beschreiben. Die Tabelle ↑2 zeigt Beispiele, bei denen davon ausgegangen wird, dass sich der bewegte Gegenstand zu Beginn der Beobachtung im Ursprung befindet.↑9 Bewegung mit konstanter Geschwin­digkeit v0 Bewegung mit konstanter Beschleunigung a aus der Ruhe heraus Freier Fall x(t) = v0 · t v(t) = v0 x(t) = _ 12 a · t2 v(t) = a · t h(t) = – _ 12 g · t2 x v x v h v(t) = –g · t t v t v0 t t t t 9 9783464853184 Inhalt_S225 225 25.08.2008 12:18:13 Uhr 226 Grundwissen Physik 10 –10 m 10 –14 m Atomhülle: Elektronen Atomkern: Protonen und Neutronen Aufbau der Atome Der Radius von Atomen liegt bei einem Zehnmillionstel eines Millimeters: rAtom = 1 · 10–10 m = 0,1 nm. ↑1 Der Radius des Atomkerns ist noch viel kleiner. Er beträgt nur ein Zehntausendstel des Atomradius: rKern = 1 · 10–14 m. Atomkerne bestehen aus Protonen (jeweils Ladung +e) und ungeladenen Neutronen. ↑2 Proton und Neutron sind jeweils rund 1800-mal so schwer wie ein Elektron. Im Atomkern gibt es genauso viele Protonen wie Elektronen in der Atomhülle: Das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral. Die Atome eines Elements haben stets die gleiche Protonenzahl (Ordnungszahl) und die gleichen chemischen Eigenschaften. Sie können sich in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden (Isotope). ↑3 1 Größenordnungen im Atom (nicht maßstäblich) Massenzahl Anzahl der Protonen und Neutronen 14 N 7 7 Protonen 8 Neutronen 15 Kernbausteine 7 Protonen Ordnungszahl 7 Neutronen Anzahl der Protonen 14 Kernbausteine 2 15 N 7 3 Aufnahme und Abgabe von Energie Leuchtende Körper können kontinuierliche Spektren oder Linienspektren aufweisen. ↑4 ↑5 4 Kontinuierliches Spektrum 5 Linienspektrum Die Linienspektren geben Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Lichtquelle. Wir führen sie darauf zurück, dass die Elektronen der Atomhüllen nur diskrete Energieniveaus annehmen können – Zwischenwerte sind nicht möglich. ↑6 ↑7 Damit ein Hüllenelektron von einem Energieniveau auf ein anderes gelangt, muss es eine Energieportion aufnehmen oder abgeben, die genauso groß ist wie die Differenz zwischen den beiden Energieniveaus. Die bei Übergängen abgegebenen einzelnen Energieportionen bezeichnen wir als Photonen. Die Energie von Photonen des Lichts liegt im Elektronvoltbereich: Am roten Rand des Spektrums ist sie am geringsten, am violetten Rand am größten. E ∆E E } Photon „angeregte“ Niveaus ∆E EPhoton = ∆E Ezu = ∆E Grundniveau 6 Diskrete Energieaufnahme 9783464853184 Inhalt_S226 226 7 Diskrete Energieabgabe 25.08.2008 12:18:16 Uhr 227 Jahrgangsstufe 9 Strahlung radioaktiver Körper Sie erreicht uns überall und ständig aus Boden, Wasser, Luft und aus dem Weltraum (Nulleffekt). Ihre Ionisationsfähigkeit wird genutzt, um die Strahlung nachzuweisen. ↑8 Wir unterscheiden a-, b- und g-Strahlung. ↑9 Für ein einzelnes Atom lässt sich nicht vorhersagen, wann es zerfällt. Für den Zerfall sehr vieler radioaktiver Atome gilt dagegen, dass die Aktivität in immer der gleichen Zeitspanne jeweils um die Hälfte abnimmt. ↑10 Die Halbwertszeit ist von Stoff zu Stoff verschieden. Art (Ladung) Geschwindigkeit Wirkung Abschirmung Entstehung − + Elektrode radioaktives Präparat 1–2 mm 4 kV 8 Nachweis durch Ionisierung a-Strahlung b-Strahlung g-Strahlung Heliumkerne (2 e) km 15 000 bis 30 000 __ s stark ionisierend Papier, Luftschicht (> 8 cm) Kernzerfall Elektronen (–e) bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit weniger stark ionisierend Aluminiumblech (> 5 mm) Neutronenzerfall im Kern Photonen (0) Lichtgeschwindigkeit schwach ionisierend dicke Bleiplatte Energieübergang im Kern Wegen ihrer ionisierenden Wirkung ruft die Strahlung Veränderungen in den Körperzellen des Menschen hervor. Wenn die Schäden nicht durch das körpereigene Reparatursystem beseitigt werden, können Krebserkrankungen auftreten oder Erbschäden bei den Nachkommen. Die schädigende Wirkung hängt von der Äquivalentdosis („absorbierte Energie pro Kilogramm mal Bewertungsfaktor“) und der zeitlichen Verteilung der Bestrahlung ab. Aktivität 9 Halbwertszeit Zeit 10 Halbwertszeit Kernumwandlungen Bei einer Kernspaltung wird ein Atomkern z. B. durch Neutronenbeschuss in zwei (oder mehr) Trümmerkerne sowie in einige sehr energiereiche Neutronen zerlegt. ↑11 Bei einer Kernfusion verschmelzen zwei sehr leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern. Dabei wird Energie abgegeben. Bei Kernumwandlungen nimmt die (kinetische) Energie insgesamt zu, die Gesamtmasse der Teilchen nimmt ab: Enach – Evor = (mvor – mnach) · c2. ↑12 Energie und Masse können also in diesem Zusammenhang als gleichwertig angesehen werden (Äquivalenz von Energie und Masse). Beim Aufbau eines Atomkerns aus Protonen und Neutronen wird Bindungsenergie abgegeben. ↑13 Die Energiefreisetzung ist mit einer Massenabnahme verbunden (Massendefekt). Wie groß die (mittlere) Bindungsenergie pro Kernbaustein ist, ist für jedes Isotop verschieden. Bei der Fusion leichter Kerne und der Spaltung schwerer Kerne lässt sich Energie gewinnen, wenn die Bindungsenergien pro Kernbaustein für die Endkerne größer sind als für die Anfangskerne. 1 0n 235 92U 144 56Ba 1 3 0n 89 36Kr + Energie 2H 1 Deuteriumkern Heliumkern 4 He 2 + Energie 3H 1 5 He 2 1n 0 Tritiumkern 11 Kernspaltung und -fusion Kernspaltung ∆E = (mvor − mnach) ∙ c2 ∆E Kernfusion ∆E 8 144 56 Ba 1 0n vorher 3 10 n nachher 3 1H 4 2 He 2 1H 1 0n vorher nachher 12 Masse-Energie-Äquivalenz bei Kernumwandlungen 9783464853184 Inhalt_S227 227 4 89 Kr 36 144 Ba 56 235 U 92 3H 1 2H 1 2 0 56 Fe 26 4 He 2 6 89 36 Kr 235 92 U E in MeV Emax 10 0 50 100 150 200 250 A 13 Mittlere Bindungsenergie pro Kernbaustein 25.08.2008 12:18:18 Uhr
