Jahrgangsstufe 7 - Gymnasium

Grundwissen NT Physik 7. Jahrgangsstufe
Christoph-Jacob-Treu-Gymnasium Lauf Juni 2009
1. Optik
Wissen und Können
Licht und Sehen, Schatten
Wir sehen einen Gegenstand nur, wenn Licht von ihm
in unsere Augen fällt.
Wir unterscheiden bei Körpern, die Licht aussenden:
Lichtquellen, die Licht selbst erzeugen und
beleuchtete Körper, die das auftreffende Licht nur
zurückwerfen.
Licht breitet sich geradlinig aus.
Lichtgeschwindigkeit:
300 000
Anwendungen und Beispiele
Beispiele für Lichtquellen: Sonne, Kerzen, Lampen
Beispiele für beleuchtete Körper: Mond, Bäume, Wiesen, Möbel...
Mondphasen: Sie entstehen dadurch, dass wir immer
nur den jeweils beleuchteten Teil des Mondes sehen
km
s
Hinter lichtundurchlässigen Körpern bilden sich bei
Beleuchtung Schatten
Mondfinsternis: Die Erde steht zwischen Sonne und
Mond, der Mond ist im Schatten der Erde.
Sonnenfinsternis: Der Mond steht zwischen Sonne und
Erde, der Mondschatten fällt auf die Erde.
Reflexion und Brechung
Wird Licht an einem ebenen Spiegel reflektiert, so gilt
Das Spiegelbild B und der Gegenstand G liegen symdas Reflexionsgesetz:
metrisch bezüglich der Spiegelebene.
1. Einfallender Strahl, Einfallslot und reflektierter Strahl
liegen in einer Ebene.
2. Der Einfallswinkel α ist gleich dem
Reflexionswinkel α‘.
Brechung:
An der Grenze zwischen zwei verschiedenen, lichtdurchlässigen Stoffen ändert das Licht seine Richtung,
es wird „gebrochen“.
Trifft ein Lichtstrahl schräg von Luft auf Wasser oder
Glas, so wird er an der Grenzfläche zum Lot hin gebrochen.
Ein schräg ins Wasser gehaltener Stab scheint an der
Wasseroberfläche geknickt zu werden.
Wird der Einfallswinkel α beim Übergang des Lichts von
Wasser in Luft (allgemein von einem optisch dichteren in
ein optisch dünneres Medium) zu groß, so kann das
Licht das Wasser nicht mehr verlassen, sondern wird an
der Grenzfläche reflektiert. (Totalreflexion)
Beispiele für Totalreflexion: Lichtleiter, Luftspiegelungen
über heißen Straßen, Fata Morgana
Trifft ein Lichtstrahl schräg von Glas oder Wasser auf
Luft, so wird er an der Grenzfläche vom Lot weg gebrochen.
Der Lichtweg bei der Brechung von Licht ist umkehrbar.
Die „Stärke“ der Brechung hängt von der Farbe des
Lichts ab.
Weißes Licht lässt sich mit Hilfe eines Prismas in seine
farbigen Bestandteile (Spektralfarben) zerlegen.
Beispiel: Regenbogen
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Wissen und Können
Anwendungen und Beispiele
Linsen
In Linsen wird das Licht gebrochen. Man unterscheidet Mit Sammellinsen können sowohl reelle als auch virtuelSammellinsen und Zerstreuungslinsen.
le Bilder erzeugt werden.
Sammellinse:
Ein virtuelles Bild steht aufrecht und erscheint vergrößert, es kann nicht auf einem Schirm aufgefangen werden. (Verwendung der Linse als Lupe.)
0
Ein reelles Bild erscheint auf einem Schirm um 180
gegenüber dem Original gedreht.
Anwendungen von Linsen in
Photoapparaten,
Projektoren,
Fernrohren
Mikroskopen
f: Brennweite
Zerstreuungslinse:
Bildkonstruktion:
Nutze Parallelstrahlen, Mittelpunkststrahlen und
Brennstrahlen
2. Elektrische Phänomene
Wissen und Können
Elektrische Stromkreise
Ein einfacher Stromkreis besteht aus
• Stromquelle (Gleichstromquelle: Plus- und Minuspol; Wechselstromquelle: ständiger Polwechsel)
• Kabel und Schalter
• „Verbraucher“ (z.B. Glühlampe)
Strom fließt nur bei geschlossenem Stromkreis.
Leiter: z.B. Metalle
Nichtleiter: z.B. Glas
Wirkungen des el. Stroms: Magnetismus (Elektromagnet), Wärme (Herdplatte), Licht (Glühbirne)
Vorsicht: Lebensgefahr bei Netzstrom!!
Stromstärke, Spannung, Widerstand
Die elektrische Stromstärke I ist ein Maß dafür, wie
viele Ladungen je Zeitabschnitt an einer Stelle des
Stromkreises vorbei wandern.
Einheit: [I] = 1 Ampere (1A)
Die Stromstärke ist an jeder Stelle eines unverzweigten Stromkreises gleich groß.
Anwendungen, Beispiele
Messung der Stromstärke mit sog. Amperemetern.
Das Amperemeter wird in Reihe mit den elektrischen
Geräten geschaltet.
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Wissen und Können
Anwendungen, Beispiele
Die Spannung U ist Ursache für den elektrischen
Messung der Spannung mit sog. Voltmetern.
Strom. Je höher U ist, desto größer ist die Stromstärke,
die sie im gleichen Bauteil hervorruft.
Einheit: [U] = 1 Volt (1V)
Der elektrische Widerstand R eines Bauteils gibt an,
wie stark der Strom durch das Bauteil behindert wird.
Einheit: [R] = 1 Ohm (1Ω)
Zusammenhang zwischen den Größen:
U
U
U = R⋅I ⇒ R =
bzw. I =
I
R
Voltmeter werden immer parallel zum Gerät bzw. zur
elektrischen Quelle geschaltet
Magnetismus
Elektromagnet (Spule mit Eisenkern)
• Magnete besitzen Nord- und Südpol. Gleiche Pole
stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an.
Eine von Strom durchflossene Spule wird zum Magneten
weitere: Relais, Klingel, Lautsprecher
3. Kräfte und Bewegungen
Wissen und Können
Geschwindigkeit v
Die Geschwindigkeit v gibt an, wie schnell sich ein
Körper bewegt.
∆ s Weg
v=
=
∆t " Zeit
"
übliche Einheiten:
1
Anwendungen, Beispiele
Aufgabe:
a) Ein PKW benötigt für die Strecke zwischen zwei
Straßenpfosten (50 m) eine Zeit von 2,0 s (s. Grafik). Wie schnell fährt der PKW (in km/h)? (90km/h)
m km
;1
s
h
Bei konstanter Geschwindigkeit ist also s proportional
zu t (Ursprungsgerade im Zeit-Weg-Diagramm)
Beschleunigung a
Die Beschleunigung a gibt an, wie schnell sich die
Geschwindigkeit eines Körpers ändert.
m
∆v
a=
; Einheit: 1 2
∆t
s
b) Wie lange braucht ein PKW bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h für eine Strecke von 50 m? (1,4s)
c) Wie weit kommt ein PKW bei einer Geschwindigkeit
von 20 km/h in 2,5 s? (ca.14m)
Aufgabe:
Eine Rakete beschleunigt beim Start innerhalb von 5,0s
km
. Wie groß ist ihre
h
m
Beschleunigung? (Ergebnis zur Kontrolle: a = 55 2 )
s
auf eine Geschwindigkeit von
Der Kraftbegriff
• Kräfte besitzen Richtung, Betrag und Angriffspunkt
(à Darstellung mit Pfeilen:
•
F; F =F )
Newtonsches Grundgesetz:
Kraft = Masse mal Beschleunigung,
F = m⋅a
kg ⋅ m
Einheit der Kraft: [F] = 1 Newton = 1 N; 1N = 1
s2
1N ist die Kraft, die bei einer Masse von 1kg in 1s eine
Geschwindigkeitsänderung von
1
m
bewirkt.
s
Wechselwirkungsgesetz:
Übt Körper A auf einen Körper B eine Kraft aus, dann
übt auch Körper B auf Körper A eine gleich große Gegenkraft aus („actio gegengleich reactio“)
3
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Wissen und Können
Anwendungen, Beispiele
Wirkungen von Kräften
•
• Kräfte verändern den Betrag oder die Richtung von
•
Geschwindigkeiten
•
• Kräfte verformen Körper
Kräftegleichgewicht beim Fallschirmsprung
Verrutschen der Ladung bei scharfem Bremsen
Prinzip des Sicherheitsgurtes bei Unfällen
Trägheitssatz
Ein Körper bleibt in Ruhe oder behält seine Geschwindigkeit (Betrag und Richtung) bei, wenn keine Kraft auf
ihn wirkt oder Kräftegleichgewicht herrscht
Gewichtskraft G und Masse m
Die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen
wird, heißt Gewichtskraft oder Schwerkraft FG des
Körpers auf der Erde.
Ursache: Massenanziehung (Gravitation) zwischen
dem Körper und der Erde.
FG = m⋅g ( g
= 9,81
Vergleich der Orte Erde und Mond:
Ein Körper der Masse 1 kg hat auf der Erde eine Gewichtskraft von etwa 10 N, auf dem Mond 1,6 N. Eine
Tafel Schokolade (m = 100 g) hat eine Gewichtskraft
von etwa 1 N auf der Erde bzw. 0,16 N auf dem Mond.
m
N
= 9,81 , Fallbeschleuni2
kg
s
gung auf der Erde)
m ist die Masse des Körpers, sie ist vom Ort unabhängig.
Einheit der Masse: [m] = 1 kg
Vektorielle Addition von Kräften
Zwei Personen tragen einen Eimer:
Kräfte, die einen gemeinsamen Angriffspunkt besitzen,
kann man zusammensetzen:
Die Vektoraddition der Kraftpfeile ergibt die
Ersatzkraft
F12 = − FG ; F12 = FG
Aufgabe: Bestimme die Federhärte
D aus dem Diagramm.
Kraft und Verformung von Körpern
• Je größer der Betrag einer Kraft, desto größer ist
die durch sie hervorgerufene Verformung.
• Bei nicht zu stark belasteten Federn gilt das
Gesetz von Hooke:
( D ≈ 33
F
= D =konstant
s
(s: Dehnung der Feder, D: Federhärte, [D]= 1
N
)
cm
4
N
)
cm