7. Klasse: Natur und Technik (Physik)
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218 Grundwissen Physik Jahrgangsstufe 7 Lichtstrahlen und Bildentstehung Licht breitet sich geradlinig aus, so­ lange es nicht daran gehindert wird. Die geradlinige Lichtausbreitung wird in Zeichnungen durch „Strahlen“, wie sie aus der Geometrie bekannt sind, modellhaft dargestellt. ↑1 Durch Strahlenkonstruktion lässt sich die Bild­ entstehung bei Spiegeln und Sammellinsen erklären. Lichtbündel Lichtstrahl 1 Geradlinige Lichtausbreitung im Modell Spiegel reflektieren Licht. Der Einfallswinkel α ist stets so groß wie der Reflexionswinkel β: α = β. ↑2 Einfallender Lichtstrahl, Einfallslot und reflektierter Lichtstrahl liegen in ein und derselben Ebene. Das Spiegelbild eines Gegenstands sieht man genauso weit hinter dem (ebenen) Spiegel, wie der Gegenstand selbst davorsteht. ↑3 Das Spiegel­ bild ist ein Scheinbild (virtuelles Bild): Das Licht scheint von einem (nicht vorhandenen) Gegenstand hinter dem Spiegel zu kommen. einfallender Strahl Lot α reflektierter Strahl Spiegel β Spiegel Einfallswinkel Reflexionswinkel 2 Reflexionsgesetz Luft Wenn Licht schräg durch eine Grenzfläche zwischen Luft und Glas (Luft und Wasser, Wasser und Glas …) hindurchtritt, erfährt es eine Richtungs­ änderung. ↑4 Diese Erscheinung nennt man Brechung. Nur bei senkrech­ tem Einfall wird das Licht nicht abgelenkt. Bei Sammellinsen sorgt die Brechung dafür, dass alle Lichtstrahlen, die von einem Gegenstandspunkt ausgehen und durch die Linse treten, sich nach der Linse auch in einem Bildpunkt wiedertreffen. ↑5 (Voraussetzung: Der Abstand Gegenstand – Linse ist größer als die Brennweite.) Das Bild des Gegenstands steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Die Bildpunkte kann man mithilfe von ausgewählten Lichtstrahlen in einem Modell geometrisch „konstruieren“. ↑6 α Glas β 4 Brechung Der Lichtweg ist umkehrbar. Gegenstand 3 Spiegelbild Sammellinse Bild 1 2 3 F1 F2 f Gegenstandsebene Brennebene Mittelebene f Brennebene Bildebene 5 Bildentstehung bei der Sammellinse: Jeder Gegenstands­ punkt wird auf einen Bildpunkt abgebildet. 9783464853184 Inhalt_S218 218 1 Vor der Linse: parallel zur optischen Achse Nach der Linse: durch den Brennpunkt F1 2 Geradlinig durch die Linsenmitte 3 Vor der Linse: durch den Brennpunkt F2 Nach der Linse: parallel zur optischen Achse 6 Geometrische Bildkonstruktion: Der Bildpunkt ergibt sich als Schnittpunkt der gebrochenen Lichtstrahlen. 25.08.2008 12:17:57 Uhr 219 Jahrgangsstufe 7 Atommodell und elektrischer Strom Elektrisch geladene Teilchen sind Bestandteile aller Körper. ↑7 Beim engen Kontakt (z. B. durch Reiben) zweier Körper können Elektronen von einem Körper auf den anderen übergehen. Die Ladungen werden also nicht erzeugt, sondern nur getrennt. ↑8 ↑9 Wenn elektrische Ladung transportiert wird, spricht man von elektrischem Strom. ↑10 Atom Papier 8 Enger Kontakt Atomhülle Atomkern Elektron 7 Kern-Hülle-Modell des Atoms zum Pluspol der elektrischen Energiequelle Elektron Kunststoff 9 Ladungstrennung Stromstärke, Spannung, Widerstand Die elektrische Stromstärke gibt an, wie groß ein elektrischer Strom ist. Die Stromstärke I an einer beliebigen Stelle eines Drahts ist gleich dem Quotienten aus der Ladung Q, die in einer bestimmten Zeitspanne Δt durch den Drahtquerschnitt an der Stelle hindurchströmt, und dieser Zeitspanne: Q I = __ . Δt Die Stromstärke beträgt 1 Ampere (1 A), wenn in einer Sekunde durch den Querschnitt eine Ladung von 1 Coulomb (1 C) hindurchtritt. Im Modell können wir die unterschiedlich großen Ladungen, die bei verschiedenen Stromstärken in gleicher Zeit durch einen Drahtquerschnitt strömen, mithilfe der Elektronen darstellen. ↑11 Stromstärkemessung: Man baut Strommessgeräte in den Stromkreis ein. Die Stromstärke ist im ganzen Stromkreis gleich groß. ↑12 10 Elektrischer Strom im Metall Viele Elektronen strömen in 1 s durch den Drahtquerschnitt. Draht Wenige Elektronen strömen in 1 s durch den Drahtquerschnitt. 11 Große und kleine Stromstärke Die elektrische Spannung ist ein Maß für die „Stärke“ der elektrischen Energiequelle, Ladung „anzutreiben“. Je größer die elektrische Spannung zwischen den Polen einer (regelbaren) elektrischen Energiequelle ist, desto größer ist die Stromstärke, die sich in ein und demselben Stromkreis einstellt. ↑13 I1 I1 = I2 I2 12 Gleich große Stromstärken Der Widerstand eines elektrischen Bauteils in einem Stromkreis gibt an, wie sehr der Ladungstransport durch das Bauteil „behindert“ wird. Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Stromstärke, die sich bei ein und derselben Spannung der Energiequelle einstellt. Der elektrische Widerstand R eines Bauteils ist gleich dem Quotienten aus der Spannung U, die am Bauteil anliegt, und der Stromstärke I: R = __ U . I Die Spannung einer elektrischen Energiequelle beträgt 1 Volt (1 V), wenn sich bei einem angeschlossenen Bauteil, das einen Widerstand von 1 Ohm (1 Ω) hat, eine Stromstärke von 1 Ampere (1 A) einstellt. U1 R I1 2 U1 R 2 I1 13 Größere Spannung → größere Stromstärke 9783464853184 Inhalt_S219 219 25.08.2008 12:17:59 Uhr 220 Grundwissen Physik 1. Sek. 2. Sek. 3. Sek. 12,5 m 12,5 m 12,5 m 1 Konstante Geschwindigkeit 1. 2. 3. 4 5m 7m 4. 5. Sek. 10 m 11,5 m 2 Veränderliche Geschwindigkeit: Be­ schleunigung Angriffspunkt Richtung Betrag F → 3 Darstellung der Kraft F 4 Trägheit m = 102 g m a = 9,81 2 s F = 1,00 N 5 Krafteinheit 1 Newton (1 N) 20 N 20 N 6 Wechselwirkungsgesetz Erde Mond 7 Gravitationskräfte Geschwindigkeit und Beschleunigung Die Geschwindigkeit v gibt an, wie schnell sich ein Körper während einer Zeitspanne Δt durchschnittlich bewegt: ↑1 zurückgelegte Strecke Δs . Geschwindigkeit = __________________ ; v = ___ Δt benötigte Zeit m Die Einheit der Geschwindigkeit ist 1 __ s . Es gilt: m = 3,6 ___ m. km = ___ 1 __ km und umgekehrt 1 ___ 1 __ h h s 3,6 s Tachometer messen die Momentangeschwindigkeit (Δt sehr klein). Die Beschleunigung a gibt an, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Körpers ändert: ↑2 Geschwindigkeitsänderung Δv. Beschleunigung = ______________________; a = ___ Δt benötigte Zeit m . Die Einheit der Beschleunigung ist 1__ 2 s Kräfte Als Kräfte bezeichnet man in der Physik die Ursache dafür, dass ein Körper schneller oder langsamer wird, seine Bewegungsrichtung än­ dert oder dass er verformt wird. Kräfte unterscheiden sich in Angriffs­ punkt, Betrag (Größe) und Richtung. ↑3 Trägheitssatz: Jeder Körper bleibt im Zustand der Ruhe oder der gerad­ linigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, solange er nicht durch Kräfte von außen gezwungen wird, den Zustand zu ändern. ↑4 Die Masse gibt an, wie träge ein Körper ist. Ein Körper mit größerer Mas­ se (z. B. ein Lkw) lässt sich schwerer beschleunigen oder abbremsen als einer mit kleinerer Masse (z. B. ein Pkw). „Kraft = Masse · Beschleunigung“: Die Kraft F, die einen Körper be­ schleunigt, ist gleich dem Produkt aus der Masse m des Körpers und seiner Beschleunigung a: F = m · a. Eine Kraft von 1 N bewirkt bei einem Körper der Masse 1 kg eine m m Beschleunigung von 1 __ : 1 N = 1 kg __ . ↑5 s2 s2 Wechselwirkungsgesetz: Körper üben immer nur wechselseitig Kräfte auf­ einander aus. Die beiden Kräfte, die zwei Körper wechselseitig auf­ einander ausüben, sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. ↑6 Sie greifen stets an zwei verschiedenen Körpern an. Alle Körper ziehen sich aufgrund ihrer Masse gegenseitig an. ↑7 Aller­ dings wird die Gravitationskraft erst bei großen Massen (z. B. von Planeten oder der Sonne) deutlich feststellbar. Elektrisch geladene Körper ziehen sich gegenseitig an oder stoßen einander ab – je nachdem, ob sie gleichnamig oder ungleichnamig geladen sind. ↑8 Je größer die Ladungen der Körper sind, desto größer ist die elek­ trische Kraft. Gravitationskraft und elektrische Kraft nehmen mit zuneh­ mendem Abstand zwischen den Körpern ab. Rechnen mit Messwerten Keine Messung ist hundertprozentig genau. Daher gibt man bei Messwerten nur die Ziffern an, bei denen man davon ausgeht, dass sie genau sind, sowie die erste ungenaue Ziffer. Beispiel: Der Messwert 3,46 km hat drei „geltende“ Ziffern, die tatsächliche Länge kann also auch 3,455 km oder 3,464 km betragen. Beim Rechnen mit Messwerten wird das Ergebnis auf die kleinste Anzahl geltender Ziffern gerundet, die man bei den verwendeten Messwerten findet. 8 Elektrische Kräfte 9783464853184 Inhalt_S220 220 25.08.2008 12:18:02 Uhr
