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PHYSIK 6. Klasse I. (Wieder-)Einführung in die Physik: 1. Teilgebiete der Physik Mechanik Akustik, Optik Thermodyn. Elektromagn. Mod. Physik potenzielle Energie Reflexion Phasenübergang Wechselstrom E=mc² Drehimpuls Doppler-Effekt Absoluter Transformator Photonen Sublimation Induktion Unschärferelation Auftrieb Viertakt-Motor Ampere Quarks Newton’sche Brown’sche Generator Axiome Bewegung Fallbeschleunigung Anomalie des Nullpunkt Wirkungsgrad Polarisation Wassers 2. Basisgrößen und ihre Einheiten SI (Systeme international) physikalische Größe Einheit Länge (l) oder Weg (s) Meter (m) Zeit (t) Sekunde (s) Masse (m) KILOgramm (kg) Temperatur (T) Kelvin (K) Stromstärke (I) Ampere (A) Stoffmenge (n) Mol (mol) (Lichtstärke Candela) 3. Abgeleitete Größen und ihre Einheiten z.B. v=s/t, damit ist die Einheit von v gleich m/s. z.B. a=v/t, damit ist die Einheit von a gleich m/s² z.B. F=m*a, damit ist die Einheit von F gleich kg*m/s² (= 1 Newton) z.B. E= m*v²/2, damit ist die Einheit von E gleich kg*m²/s² (= 1 Joule) ev. weitere Beispiele (E=mc², rho=m/V, p=F/A, E=mgh…) 1 4. Größenordnungen (Tabelle aus Buch kopieren und einkleben) Arbeitsblatt 1 Kärtchen: Umwandeln, Darstellung mit Zehnerpotenzen PinPhysics: Umwandeln Zahlenstrahl aufzeichnen: 0--------------------------------10^42. Wo ist 10^41? Film: Powers of Ten Rechenbeispiel 1: Wie viel mal größer als 1000 ist 1 Milliarde? Rechenbeispiel 2: Wie viel Atome passen in eine Haaresbreite? – 1 Million In die Länge eines Handys – 1 Milliarde Rechenbeispiel 3: Wie oft passt die Entfernung Erde-Mond in die Entfernung Erde-nächster Stern? – Erde-Mond-l= 10^8 m; Erde-Sonne-l=10^11 m; Erde-Alpha Centauri-l: 10^17 - 1000x bzw. 1 Milliarde mal Rechenbeispiel 4: Wie viele Rechengänge schafft ein Computer in einem Menschenleben? – t1=10^-6s; t2=10^9 s ---- 10^15 Rechengänge, d.h. 1 Million Milliarden 5. Messung von Länge, Zeit und Masse Gruppenarbeit: Buchkapitel lesen und referieren; Messgeräte vorstellen; PinPhysics: Messung von l,t,m 6. Schülerversuch: Dichtebestimmung 1. Bestimmung der Masse (Elektrowaage, Briefwaage, Balkenwaage) 2. Bestimmung des Volumens (Wasserverdrängung oder Berechnung) 3. Dichte „rho“ = m/V (Einheit = kg/m³) 4. Vergleich mit Dichtetabelle, Vermutung: Welches Material könnte es sein? PROTOKOLL!!!! Objekt Masse Volumen Dichte Material 7. Interpretieren und Aufstellen von physikalischen Formeln Arbeitsblatt 2 + viele Übungen! Schriftliche LZK oder Wissensinfo 2 II. Aufbau der Materie 1. Woraus bestehen Körper? Kärtchen austeilen, ordnen lassen, dazu Text: (Folie: Atompuzzle) Körper (Büroklammern aus Stahl – Getränkedose aus Aluminium – Goldbarren; Kalkablagerungen auf Heizstab – Kochsalz – Magnetit; Wasser – Kaffee – Zucker) Metallgitter (Fe, Al, Au) /Ionenkristall (CaCO3, NaCl, Fe3O4) /Molekül (H2O, Glucose C6H12O6, Koffein C8H10N402 Atom (positiv geladener Kern und negativ geladene Hülle mit Elektronen) Atomkern (Protonen und Neutronen… Nukleonen) Quarks (up/down, strange/charmed, top/bottom) 2. Das Periodensystem der Elemente Symbol: F Ordnungszahl: 9 (Kernladungszahl, Protonenzahl) Massenzahl: 19 (Nukleonenzahl, also p+n) Periode: 2 (äußerstes Elektron ist in der 2. Schale) Hauptgruppe: 7 (7 äußere bindungsfähige Elektronen) (1. HG.....Alkalimetalle, 2. HG: Erdalkalimetalle, 3. HG: Erdmetalle, 6. HG: Chalkogene, 7. HG: Halogene, 8. HG: Edelgase) Nichtmetall Was sagt die Massenzahl aus? - Anzahl der Nukleonen, daraus Anzahl der Neutronen=M-O - nicht immer ganzzahlig, weil man sie ermittelt, indem man auch die Isotope berücksichtigt – z.B. Häufigstes C-Atom ist C6-12, aber es gibt auch C6-13 und C6-14 („schwerere Atome“)... Durchschnitt nicht ganzzahlig! - Ein Mol der Substanz (6*10^23 Teilchen) haben so viele Gramm, wie die Massenzahl angibt, z.B. 1 Mol Fluor haben 19 g. - Masse des Atoms = Massenzahl * 1,67*10 ^(-27) kg! 1,67 *10^(-27)kg... 1 unit (atomare Masseneinheit) 3 Arbeitsblatt 3 3. Radioaktivität = Eigenschaft von Atomkernen, spontan (ohne Einfluss von außen) Strahlung auszusenden. - Alpha-Strahlung =Teilchenstrahlung bestehend aus Helium-Kernen (also Teilchen mit 2 Protonen und 2 Neutronen), z.B. Po (84-218) zerfällt in Rn (86-222) - Beta-Strahlung (genauer gesagt Beta-Minus) = Elektronenstrahlung Neutron im Kern wandelt sich um in ein Proton und sendet ein Elektron (und ein Antineutrino) aus. n – p + e + nü-strich, z.B. Tl (Thallium 81-210) zerfällt zu Pb (82-210) - Gamma-Strahlung keine Teilchenstrahlung, sondern elektromagnetische Strahlung!!! sehr energiereich! andere Beispiele für elektromagnetische Strahlung (Reihung nach wachsender Frequenz = Maß für Energie): Folie/Abbildung: Spektrum Alpha-Strahlung ist die energiereichste der drei Strahlungsarten, aber kann leicht abgeschirmt werden. Gamma-Strahlung durchdringt sogar Beton! Radioaktive Elemente bilden Zerfallsreihen (siehe Abb. im Buch), am Ende steht stets ein Bleiisotop. 4 Halbwertszeit = Zeit, nach der die Hälfte der vorhandenen Atomkerne zerfallen ist (statistisch gesehen). von Bruchteilen einer Sekunde bis Milliarden von Jahren! Mathematisch kann der Zerfall mit Hilfe einer Exponenzialfunktion 1 beschrieben werden 2 anfangs 16 mg vorhanden 18 16 14 12 10 Reihe1 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16 8 3 4 4 2 5 1 6 0,5 7 0,25 8 0,125 9 0,0625 10 0,03125 10 Messung der Radioaktivität: Geiger-Müller-Zählrohr, 1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde Probleme: gesundheitliche und bez. Entsorgung (siehe Buch) Anwendung: Altersbestimmung (C-14-Methode), in der Medizin als Indikatoren (zur Markierung), Krebstherapie schriftliche Lernzielkontrolle 5 III. Bewegungen und ihre Ursachen (Kinematik = Lehre von den Bewegungen) Zur Beschreibung einer Bewegung ist ein Inertialsystem (Trägheitssystem = Bezugssystem, in der der Beobachter ruht oder sich gleichförmig bewegt) nötig, z.B. Physiksaal, Erdboden, aber auch gleichförmig fahrender Zug, … Die Bewegung jedes Körpers kann aus 2 Arten von Bewegungen zusammengesetzt werden: Translation („Verschiebung“) Rotation („Drehbewegung“) z.B. Bumerang-Wurf AUFZEICHNEN (B.S. 75) Vereinfachung durch das Modell des Massepunkts (Körper, dessen Ausdehnung vernachlässigt werden kann). Bumerang-Wurf kann man sich vereinfacht als Translation seines Schwerpunkts vorstellen ...Nun kann man sich auf Translationen beschränken! s ... „Weg“ ... Einheit = m t.... „Zeit“ .... Einheit = s v... „Geschwindigkeit“... Einheit = m/s a... „Beschleunigung“... Einheit = m/s² Beschleunigung in der Physik meint jegliche Änderung der Geschwindigkeit, d.h. - schneller werden - langsamer werden - Richtung ändern („Kurve fahren“) Woran erkennst du, dass du beschleunigst wirst? - Augen schließen!!! Sobald du etwas „spürst“ (eine Kraft wirkt auf dich) wirst du beschleunigt! a) Gleichförmige oder unbeschleunigte Bewegung Bei der gleichförmigen Bewegung gilt: v= v0 = const. = Delta s / Delta t, a = 0 m/s² z.B. Auto fährt konstant mit 30 m/s Weg-Zeit-Diagramm: Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm: 6 Beschleunigung-Zeit-Diagramm: Den zurückgelegten Weg kann man mit s=v0*t berechnen. b) Beschleunigte Bewegung: Ändert sich die Geschwindigkeit, spricht man von einer ungleichförmigen oder beschleunigten Bewegung. Im einfachsten Fall ist dabei die Beschleunigung konstant. Man spricht von einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung. In diesem Fall ist a=a0=const. = Delta v/Delta t (Geschwindigkeitsänderung pro Zeitänderung) z.B. Auto wird jede Sekunde um 2 m/s schneller --- a= 2m/s² Weg-Zeit-Diagramm: Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm: Beschleunigung-Zeit-Diagramm: Die Endgeschwindigkeit lässt sich mit v=a0*t berechnen. Den zurückgelegten Weg errechnet man mit s = ½*a0*t² Der freie Fall (im Vakuum) ist ein typisches Beispiel der gleichmäßig beschleunigten Bewegung, wobei a= Fallbeschleunigung = 9,81 m/s² Schülerversuch: Freier Fall Schülerversuch: Reaktionszeit c) Die Kraft - Aristoteles: Ursache der Bewegung. Stimmt zwar im Alltag, aber wenn man Luftwiderstand und Reibung vernachlässigt, gilt dies NICHT. Denn: Trägheitsgesetz (1. Newton’sches Axiom): Ein Körper verharrt in Ruhe oder geradliniger Bewegung, solange keine äußere Kraft auf ihn wirkt. Ohne Einwirkung einer Kraft: Unbeschleunigte Bewegung Unter Einwirkung einer Kraft: Beschleunigte Bewegung - Galilei/Newton: Ursache der BESCHLEUNIGUNG! Denn: Zweites Newton’sches Axiom: Die Ursache jeder Beschleunigung ist eine Kraft! 7 F=m*a, Je-desto-Sätze formulieren lassen 3. Newton’sches Axiom: Actio = Reactio, d.h. Kräfte treten immer paarweise auf. Sie sind gleich groß, aber entgegengesetzt und wirken auf verschiedene Körper! Einheit der Kraft = Newton = 1 kg*m/s² Welche Kräftearten gibt es? (Brainstorming) Muskelkraft, Reibungskraft, Anziehungskraft der Erde, elektrische, magnetische Kräfte... All das lässt sich auf 4 fundamentale Kräfte zurückführen: - Schwerkraft (Gravitation): nur in großen Maßstäben beobachtbar --Astrophysik, nur anziehend!!! - Elektromagnetische Kraft : hält z.B. Elektronen und Atome zusammen, Ursache für die meisten Kräfte im Alltag - Starke Kraft: wirkt auf Quarks und hält so Protonen und Neutronen zusammen - Schwache Kraft: wirkt auf Neutrinos IV. Erhaltungsgrößen in der Physik In einem geschlossenen System bleiben stets erhalten - die Masse (m) - die elektrische Ladung (Q) - die Energie (E) - der Impuls (p) - der Drehimpuls (L) a) Energieerhaltung Einheit der Energie: Joule (J) bzw. im Alltag: Kilowattstunde (kWh) Energieformen-Brainstorming, ordnen nach Energieformen und Energieträgern 8 ---- Es gibt keine „Windenergie“ oder „Wasserenergie“, Wind und Wasser sind nur EnergieTRÄGER, die im Wind und im Wasser enthaltene Energie ist mechanische Energie. Folie: Energieformen + Beispiele erfinden Energie kann nicht erzeugt oder verbraucht werden, sie wird immer nur umgewandelt! In geschlossenen Systemen bleibt die Gesamtenergie erhalten. Arbeitsblatt: Energieumwandlungen Wirkungsgrad = eta = Verhältnis zwischen nutzbarer Energie und aufgewendeter Energie = Energie out/Energie in 0=eta=1 oder 0 %= eta = 100 % z.B. Dieselmotor: eta = 35 %, d.h. 35 % der aufgewendeten (chemischen) Energie werden in (nutzbare) Bewegungsenergie umgesetzt z.B. Elektromotor eta = 90 %, d.h. dass 90 Prozent der aufgewendeten (elektrischen) Energie in Bewegungsenergie umgesetzt werden Folie: Wirkungsgraden Exkurs: Treibhauseffekt Arbeitsblatt: Treibhauseffekt Film: „Klima an der Kippe“ (Universum) + Fragen b) Impulserhaltung Impuls p = Masse * Geschwindigkeit Einheit [p]= kg*m/s Schülerversuch M5.7: Elastischer Stoß Bei den Stoßversuchen haben wir gesehen: Das Produkt aus Masse mal Geschwindigkeit bleibt stets erhalten! 2 Arten von Stößen: Unelastischer Stoß: Bewegungsenergie wird teilweise für bleibende Verformung des Körpers verbraucht: irreversibler (nicht umkehrbarer) Vorgang 9 Elastischer Stoß: Bewegungsenergie wird für elastische Verformung verbraucht, dann aber wieder in Bewegungsenergie zurückverwandelt. z.B. Frontalcrash: 2 Autos mit gleicher Masse und gleicher Geschwindigkeit prallen aufeinander – unelastischer Stoß z.B. Billardkugeln: elastischer Stoß z.B. Ball (m=0,5kg) fliegt mit v=20m/s in die Arme des hochgesprungenen Torwartes (m=75kg). Berechne den Impuls des Balles sowie die Geschwindigkeit von Ball-Torwart nach dem Stoß! a) p=10kgm/s² b) mges=75,5 kg; v=? 0,13 m/s – größere Masse, Impuls gleich ---- kleinere Geschwindigkeit! c) Erhaltung des Drehimpuls Exkurs: Beschreibung von Rotationsbewegungen: Versuch: Scheibe rotieren lassen: Punkte näher bei Drehachse haben kleinere Geschwindigkeit als Randpunkte! – v (Bahngeschwindigkiet) kann nicht als einheitliches Maß genommen werden. ABER: Alle Punkte auf der Scheibe legen pro Sekunde den gleichen Winkel zurück. Winkelgeschwindigkeit ω=delta alpha/delta t, [ω]=Grad/Sekunde ω ist ein Vektor, dessen Orientierung man mit Hilfe der Schraubenregel bestimmt. SKIZZEN Arbeitsblatt: Rotation (mit Internet) Die Erhaltung des Drehimpulses: Versuch 1: am Drehsessel: Versuchsperson rotiert mit ausgestreckten Armen, Arme einziehen – schneller! ---Das Produkt I* ω bleibt erhalten =: L (Drehimpuls), vgl. p=m*v Versuch 2: Person hält Rad- L=0, setzt Rad in Bewegung. Damit L=0 erhalten bleibt, muss der Drehschemel in Gegenrichtung rotieren. 10 V. Elektrizität 1.) Wiederholung aus der Unterstufe: Schaltsymbole: Lampe, Batterie, Voltmeter (Spannungsmessgerät), Amperemeter (Stromstärke-Messgerät), Schalter, ... Stromstärke I (Einheit Ampere): Wie viel Ladung fließt pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt; Spannung U (Einheit Volt): Wie groß ist der Antrieb? Wie viel Energie bekommen die Ladungen durch die Batterie bzw. wie groß ist der Energieverlust der Ladungen bei Durchgang durchs Lämpchen Steckdose: U= 230 V Wechselspannung Walkman-Batterie: U=1,5V Gleichspannung Gleichstrom: Elektronen fließen ständig in dieselbe Richtung Wechselstrom: Elektronen wechseln periodisch ihre Richtung (Bei Strom aus dem Netz: f=50Hz) 2.) Arbeiten mit den Schülerversuchskästen Baue einen einfachen und einen komplizierten Stromkreis! + Skizze Bestimme, welche Materialien den Strom gut leiten und welche ihn nicht leiten! Baue eine Schaltung mit 1 Lämpchen und 2 Schaltern, sodass du das Lämpchen mit beiden Schaltern unabhängig von einander ein/ausschalten kannst! Baue eine Schaltung mit 2 Lämpchen, in der beide Lämpchen schwächer leuchten im Vergleich zum selben Stromkreis mit 1 Lämpchen und einen, in der beide Lämpchen genauso hell leuchten wie im 1-Lämpchen-Stromkreis! Miss Stromstärke und Spannung an einigen Stellen eines Stromkreises Merksätze: Strom fließt nur bei geschlossenem Stromkreis. Technische Stromrichtung: Von PLUS zu MINUS (Elektronen fließen aber umgekehrt). In einem nicht verzweigten Stromkreis, ist die Stromstärke überall gleich groß. Bei Verzweigungen: Je größer der Widerstand, desto kleiner wird die Stromstärke – Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstands. Serienschaltung: 2 Lämpchen müssen sich die Spannung aufteilen, beide glühen schwach. Entfernt man ein Lämpchen, ist der Stromkreis unterbrochen --- Christbaum-Kette! 11 Parllelschaltung: 2 Lämpchen bekommen beide dieselbe Spannung –beide glühen stark: aber Batterie ist früher leer! Entfernt man ein Lämpchen, leuchtet das andere weiter --- Haushalt! Kärtchen: Gleichstromkreise Internet-Arbeitsstunde Schriftliche Lernzielkontrolle VI. Gravitation und Astronomie 1. Geozentrisches – Heliozentrisches Weltbild Geozentrisches Weltbild (Aristoteles, Ptolemaios): Erde bildet Mittelpunkt des Universums; Sonne, Mond, Planeten umkreisen sie. Zusätzlich „Epizykel“ (=kleine Kreise, auf denen sich die Planeten bewegen), um die manchmal beobachtbare Rückläufigkeit der Planeten zu erklären. Heliozentrisches Weltbild (Kopernikus, Kepler, Galilei): Sonne bildet Mittelpunkt des Universums. Erde=Planet, bewegt sich wie alle anderen Planeten auf Kreisbahn um die Sonne Streitgespräch: Galilei – damalige Gelehrte (mit vorgegeben und eigenen Argumenten) Pro geozentrisch: Bewegung der Erde nicht spürbar, Sternbilder verändern sich nicht; warum gerade Ellipsen?, theologische Argumente Pro heliozentrisch: Beobachtungen Galileis (Mond keine vollkommene Kugel; auch Jupiter hat Monde) einfacher zu erklären, Rechnungen passen Verbesserung des heliozentrischen Weltbilds durch Johannes Kepler: 1. Planetenbahnen sind keine Kreise, sondern Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht (SKIZZE!) 2. An Punkten, die der Sonne näher liegen, bewegt sich der Planet schneller als an sonnnenfernen Stellen. („Der von der Sonne zum 12 Planeten gezogene Radiusvektor überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen“ – SKIZZE) 3. Die Umlaufzeiten der Planeten stehen in einem bestimmten Verhältnis zu der Größe der Ellipsenbahn. („Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen der großen Bahnhalbachsen (T1²/T2²=a1³/a2³)“ (SKIZZE) Überprüfe Kepler 3 an zwei beliebigen Planeten! 2. Gravitation = eine der vier Fundamentalkräfte, immer anziehend, wirkt auf alle Körper F G m1 m2 , wobei G=Gravitationskonstante ~6,67*10^-11 Nm²/kg² r2 Newton’s Leistung: Kraft, die einen Apfel vom Baum fallen lässt, ist dieselbe, die die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne hält! Wirkt die Gravitation auch zwischen zwei Personen, die 1 cm voneinander entfernt sind? Gravitationskraft F = G*m1*m2/r² m1= 50 kg m2= 50 kg, r = 0,01 m F= 0,0017 N Gravitation wirkt, aber sie ist hier viel zu klein, um bemerkt zu werden!!! Mit welcher Kraft zieht die Erde eine Person mit m=50 kg an? m1= 50 kg, m2 = Masse der Erde = 6*10^24 kg, r= Erdradius = 6400 km = 6400 000 m F=490 Newton gleiches Ergebnis wie mit F = m*g = 50 *9,81!!! Arbeitsblatt: Schwerelosigkeit Wieso fallen die Astronauten im Raumschiff nicht auf die Erde herunter? Was ist Schwerelosigkeit? Es gibt keinen Ort, wo die Schwerkraft nicht wirkt (sie wirkt ja auch im All). Schwerelosigkeit ist dort, wo NUR Schwerkraft wirkt 13 3. Astronomie Irrtümer der Astronomie? Wahr oder falsch? - Die Bahn der Erde um die Sonne ist eine Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. Wenn es Winter ist, befindet sich die Erde im sonnenfernsten Punkt. - Abnehmenden Mond sieht man nur in der 2. Nachthälfte bzw. am Morgen, zunehmenden Mond nur in der 1. Nachthälfte bzw. am Abend. - Manche Planeten haben keine feste Oberfläche. - Alle Planeten umkreisen die Sonne gegen den Uhrzeigersinn (von „oben“ gesehen). - Eine Mondsichel entsteht, wenn die Erde einen Teil des Sonnenlichts nicht durchlässt. - Pluto ist der 8. Planet im Sonnensystem PISA-Beispiel: Jahreszeiten Kärtchen: Sternbilder Folie: Sternbilder Himmelsgeschehen 2006 (Mucke), Frühlingshimmel Sterne: Vorstellung des „Lieblingssterns“ aus Wikipedia, Recherche der Daten OL Astronomie Filmszene: Deep impact - Fehlersuche VII. Thermodynamik (Wärmelehre) beschäftigt sich mit Phasenübergängen. Druck (p), Volumen (V), Temperatur (T)… makroskopische Größen; z.B. Geschwindigkeit der Gasteilchen… mikroskopische Größe – Statistische Physik! Brown’sche Molekularbewegung: Je größer T, desto größer Ekin der Teilchen. Ekin=0-T=0. Nur am absoluten Nullpunkt (0 Kelvin = -273,15°C) würden sich die Teilchen nicht bewegen. 14 Vergleich: Celsius-Kelvin-Skala (Zahlenstrahl!) + Rechenbeispiele T(°C)=-273,15+T(K) Folie: andere Temperaturskalen (Réaumur-Skala, Rankine-Skala, Fahrenheit-Skala) Film: Brown’sche Molekularbewegung + Diffusion Diffusion: selbständige Vermischung zweier Gase, Flüssigkeiten oder sogar Festkörper Wärmeausdehnung z.B. Quecksilberthermometer. Hg dehnt sich beim Erwärmen aus (Teilchen bewegen sich schneller und benötigen mehr Platz dazu) Lehrerversuch: Metallkugel Lehrerversuch: Alkoholkugeln Gase dehnen sich stärker aus als Flüssigkeiten, diese stärker als Festkörper. Ausnahme: H2O Auf Grund besonders großer Kräfte zwischen den Wassermolekülen (Wasserstoffbrückenbindungen) hat H2O bei 4°C seine größte Dichte und dehnt sich bei T<4°C und T>4°C aus! --- Eis schwimmt daher auf Wasser (normalerweise sind feste Körper dichter als im flüssigen Zustand, z.B. Wachs!)… Anomalie des Wassers SVK: Bimetallstreifen Wärmeübertragung - Wärmeleitung (Teilchen stoßen aneinander und geben so Ekin weiter, v.a. in Festkörpern) - Wärmeströmung (Teilchen bewegen sich fort; nur in Flüssigkeiten und Gasen) - Wärmestrahlung (Teilchen senden infrarote Strahlung aus – benötigt kein Medium, auch im Vakuum – Sonne-Erde!) Lehrerversuch: Wärmeleitung SVK: Wärmeströmung 15 Andere „nicht-klassische“ Aggregatzustände: Plasmazustand: Atome in Kern und Hülle zerlegt (z.B. im Inneren der Sonne, in Blitzen) Bose-Einstein-Kondensat: bei extrem niedrigen Temperaturen, alle Atome im gleichen Zustand („marschieren im Gleichschritt“) Superfluid: Flüssigkeit ohne innere Reibung SVK: Schmelztemperatur und SVK Destillation Phasendiagramme (inkl. Arbeitsblatt und Folie) 16 1. Hauptsatz der Thermodynamik Versuch: Wie kann man seine Hände erwärmen (d.h. innere Energie der Moleküle erhöhen)? – Reiben oder übers Feuer halten... Wärme zuführen oder Arbeit verrichten 1. Hauptsatz der Thermodynamik: Die innere Energie eines Körpers kann durch Zufuhr von Arbeit und durch Zufuhr von Wärme erhöht werden. U = W + Q U... Änderung der inneren Energie der Moleküle W... Arbeit Q... Wärme Folie: Arbeit/Wärme Arbeit… Energie wird in geordneter Weise übertragen Wärme… Energie wird in ungeordneter Weise übertragen Spezifische Wärmekapazität Wie viel Wärme benötigen wir, um einen Körper zu erhitzen? Abhängig von: - Material - Masse - Temperaturdifferenz - (Phasenübergängen) Q=c*m*T (gilt nicht bei Phasenübergängen) c… spez. Wärmekapazität (c von Wasser = 4,186 kJ/kgK entspricht 1 kcal – Umrechnungsfaktor beim Kalorienzählen! 100 g Schokolade haben 500 kcal od. ca. 2000 kJ) Tabelle der Wärmekapazitäten/Schmelzwärmen, … Folie: Latente Wärme Bei Phasenübergängen kommt es zu keiner T-Erhöhung, obwohl ständig Wärme zugeführt wird. Diese wird benötigt, um Molekülkräfte zu überwinden … Latente Wärme Rechenbeispiele: z.B.: 15 kg Eis (-20°C) zu 120°C warmen Wasserdampf Q=? 17 Was kann man mit der Energie, die ein TicTac liefert, machen? 2 Kalorien = 2kcal = 8kJ = 8000 J - einen 1kg schweren Körper um …. m hochheben 8000=1*9,81*h--- h = 800 m - einen 1kg schweren Körper auf … km/h beschleunigen 8000=1*v²/2 --- v=130m/s = 470 km/h 1kg Wasser um … °C erwärmen 8000=1*4186*T --- T=2°C Wasser zu erwärmen benötigt SEHR viel Energie – Energiesparen v.a. durch Wärmedämmung und beim Heizen möglich! Die Zustandsgleichung idealer Gase Ideales Gas... Teilchen wechselwirken nur durch elastische Stöße untereinander Teilchen sehr klein im Vergleich zu ihrem mittleren Abstand Reale Gase (besonders H2) kommen dem idealen Gas bei niedrigem Druck und hoher Temperatur recht nahe. Allgemeine Gasgleichung: p*V=N*k*T p... Druck [Pascal] V... Volumen [m³] N... Anzahl der Teilchen [dimensionslos] k… Boltzmannkonstante =1,38*10^-23 J/K T... Temperatur in Kelvin 1. V konstant (Gay-Lussac): Je größer T, desto _______ p. (Je mehr Moleküle, desto _______ p.) 2. T konstant (Boyle-Mariott): Je größer V, desto _______ p. (Je mehr Moleküle, desto _______ V.) z.B. Wie viele Teilchen sind bei normalen Bedingungen in 1cm³ Luft enthalten? Luft ~ ideales Gas; p=10^5Pa, V=0,000001m³; T=273K; ----N=2*10^19!!! = 20 Trillionen! z.B. Welches Volumen nimmt bei Normalbed. 1 Mol eines Gases ein? V=0,024m³=22,4 Liter 18 Entropie-Kärtchen: Ordne sie der Reihenfolge nach. Unter welchen Bedingungen ist eine Umkehrung möglich? Auf welchem Bild ist die Entropie (Maß für die Unordnung der Moleküle) größer? Beispiele: Wasser verdunstet, Flasche zerbricht, Gas verteilt sich im Raum, ... 2. Hauptsatz der Thermodynamik: In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie („S“, „Maß für die Unordnung“) niemals ab! Bei reversiblen Vorgängen ist S=0, bei irreversiblen Vorgängen nimmt S zu! Folgerung: Wärme fließt von selbst nur von einem Körper höherer Temperatur auf einen Körper tieferer Temperatur über. !!!! Es muss immer die Entropie des gesamten Systems (Körper + Umgebung) betrachtet werden. z.B. Wir kleben die Glasscherben wieder zur Flasche zusammen – dazu aber viel Arbeitsaufwand notwendig (z.B. Entropie der dafür notwendigen Nahrungsmittel größer geworden!) z.B. Baum bringt Früchte hervor - hohe Ordnung, aber dafür viel Photosynthese etc. notwendig!!! Entropie und Wahrscheinlichkeit: Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass alle Moleküle in der einen Hälfte des Behälters sind? SKIZZE Bei einem Molekül: P = ½ Bei zwei Molekülen: P= ¼ (mögliche Fälle: beide links, beide rechts, M1 links und M2 rechts oder umgekehrt) Bei drei Molekülen: P=1/8 Bei typischen Molekülzahlen (z.B. ein Mol = 6.10^23): P = 1/(2^(6*10^23)).. unvorstellbar kleine Zahl!!! 19 Irreversible Vorgänge sind nicht unmöglich, aber sehr, sehr unwahrscheinlich! 3. Hauptsatz der Thermodynamik Man kann dem absoluten Nullpunkt beliebig nahe kommen, ihn aber nie erreichen. (Nur quantenmechanische Erklärung möglich) Tiefste erreichte Temperatur: wenige Milliardstel °C über dem abs. Nullpunkt. Phänomene bei sehr tiefen Temperaturen: Supraleitung (Stoffe verlieren elektrischen Widerstand), Superfluid (keine innere Reibung) Wärmekraftmaschinen = Maschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandelt Ziel: Bewegung z.B. Verbrennungsmotoren (z.B. Otto=Benzinmotor, Dieselmotor), Dampfturbine Kältemaschinen = Maschinen, die durch mechanische Arbeit Wärme von einem kalten in ein wärmeres Reservoir transportieren Ziel: Kühlung z.B. Kühlschränke Wärmepumpen = Maschinen, die durch mechanische Arbeit ein warmes Reservoir noch mehr erwärmen Ziel: Heizung z.B. Nutzung der Erdwärme zum Heizen 20 VIII. Schwingungen (oscillations) ... physikalische Größe wird zeitlich periodisch verändert Schwingungen entstehen, wenn ein System auf Grund einer Störung aus dem Gleichgewicht gebracht und durch eine gegenläufige Kraft wieder in Richtung des Ausgangszustandes gezwungen wird. z.B. Auslenkung verändert sich... Pendeluhr, Gitarrensaite, Stimmbänder, Schaukel (mechanische Schwingung) z.B. Winkel verändert sich... Drehschwingung (Torsionsschwingung) z.B. Elektrisches Feld ändert sich... Wechselstrom Spezialfall: Harmonische Schwingung z.B. Federpendel: Rücktreibende Kraft (Federkraft) ist direkt proportional zur Auslenkung. Weg-Zeit-Diagramm einer harmonischen Schwingung: Sinus- (oder Cosinus)funktion Versuch: Rußplatte + Stimmgabel Wichtige Begriffe zur Beschreibung von Schwingungen: - Elongation s oder x oder y... momentane Auslenkung [m] - Amplitude A ... maximale Auslenkung [m] - Schwingungsdauer T... Zeit, die der Körper für eine vollständige Schwingung (HIN und ZURÜCK) benötigt [s] - Frequenz f... Anzahl der Schwingungen pro Sekunde [Hz] oder [s^-1] Dauert eine Schwingung 1/10s, gehen sich in einer Sekunde 10 Schwingungen aus: f = 1/T 21 SVK Federpendel SVK Fadenpendel Arbeitsblatt Schwingungen (A, T, f einzeichnen bzw. berechnen) Folie: Fragen zu Faden- und Federpendel ev. Frequenzbereich des menschl. Ohrs, Ultraschall, Infraschall Überlagerung von Schwingungen Satz von Fourier: Durch Überlagerung von harmonischen Schwingungen lässt sich jede andere Schwingung zusammensetzen! Gleichphasige Sinusschwingungen Sinusschwingungen unterschiedlicher Phasen Die Phasendifferenz zwischen zwei Schwingungen wird in Bruchteilen der Schwingung oder in Grad (bzw. rad) angegeben. Abb: DeltaPhi = ¼ Schwingung, 90°, pi/2 Gedämpfte Schwingungen Reale Schwingungen sind immer gedämpft (Reibung, Luftwiderstand), nur durch Zufuhr von Energie im richtigen Moment (!) sind ungedämpfte Schwingungen möglich (Schaukel, Pendeluhr, ...) Folie: Gedämpfte Schwingung Resonanz Versuch: Stimmgabeln + Resonanz 22 Stimmgabel schwingt mit, wenn Erregerfrequenz die gleiche ist wie ihre Eigenfrequenz. Resonanz = Mitschwingen eines phys. Systems, wenn es mit der Eigenfrequenz angeregt wird. Dies kann zur „Resonanzkatastrophe“ führen. Versuch. Bringe Federpendel zum ständigen Schwingen + Resonanzkatastrophe Video: Tacoma-Brücke 23
