Grundwissen Physik 09 - MGF

Grundwissen Physik
9. Klasse
Elektrik
Die Schüler erweitern ihren Begriff von Feldern und lernen mit dem Feldlinienbild eine Möglichkeit
der Modellbildung kennen.
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Feldbegriff: elektrisches (E) und magnetisches Feld (B) durchsetzen den gesamten Raum
und können eine Funktion von Ort und Zeit sein.
Feldlinienbild dient der Veranschaulichung von Feldern. Durch jeden Punkt im Raum kann
eine Feldlinie gelegt werden. An diesem Punkt besitzen die Felder einen Betrag und eine
Richtung.
Ursache des elektrischen Feldes: elektrische Pole (Ladungen + und-) und bewegtes
Magnetfeld beim E-Feld (Induktion)
Ursache des magnetischen Feldes: magnetische Pole (Pole N und S, keine Monopole!) und
bewegte Ladung (Strom) beim Magnetfeld (Rechte-Hand-Regel)
Durch den Feldbegriff können die durch Felder verursachte Kräfte verstanden werden.
l
Statische Wirkung: Coulombkraft auf elektrische Ladungen im elektrischen Feld und
magnetische Kraft auf Magnetpole im Magnetfeld
l
Dynamische Wirkung: Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im elektrischen Feld
Die Schüler lernen die Funktionsweise des Elektromotors sowie des Generators (Induktion)
aufgrund der Lorentzkraft kennen.
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Drei-Finger-Regel zur Bestimmung der Kraftrichtung von stromführenden Leitern im
Magnetfeld und der Bewegung eines Elektromotors
Relativbewegung zwischen Magnetfeld und elektrischem Leiter als Ursache für Induktion
Wichtig ist die Lenzsche Regel, die der Energieerhaltung bei Induktionsvorgängen entspricht:
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Folge seiner Ursache entgegenwirkt.
Die Schüler lernen den Transformator als Anwendung der Induktion im Alltag kennen, wie z.B. in
Ladegeräten von Mobiltelefonen oder Netzteilen von Notebooks
Transformator als „elektrischer Hebel“: Spannungen und Stromstärken können erhöht und
erniedrigt werden, wobei die übertragene Leistung erhalten bleibt
Kinematik und Dynamik geradliniger Bewegungen
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Die Schüler wiederholen und festigen die aus der 7. Klasse bekannten Begriffe Geschwindigkeit
und Beschleunigung und erlangen ein tieferes Verständnis für den Zusammenhang zwischen
Kraft, Masse und Beschleunigung.
Geschwindigkeit
Berechnungsgleichung: v =
s
t
⎛
zurückgelegter Weg
⎜⎜ Geschwindigkeit =
dazu benötigte Zeit
⎝
-1-
⎞
⎟⎟
⎠
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9. Klasse
Beschleunigung
Berechnungsgleichung: a =
Δv
Δt
⎛
Geschwindigkeitsänderung
⎜⎜ Beschleunigung =
dazu benötigte Zeit
⎝
⎞
⎟⎟
⎠
2. Newton'sches Gesetz
Wirkt auf einen Körper mit der Masse m die konstante Kraft F, so so führt er eine gleichmäßig
bschleunigte Bewegung aus. Die Beschleunigung a ergibt sich aus:
F=ma
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Die Schüler können Bewegungsverläufe im Alltag qualitativ anhand von Zeit-Ort, ZeitGeschwindigkeits- und Zeit-Beschleunigungs-Diagrammen deuten. Sie können zu vorgegebenen
t-s-Diagramen die zugehörigen t-v-Diagramme skizzieren und umgekehrt.
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Das t-s-Diagramm einer gleichförmigen Bewegung ist eine Gerade mit der Steigung v, das t-vDiagramm eine Gerade parallel zur Zeitachse.
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Das t-s-Diagramm einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung ist Teil einer Parabel, das t-vDiagramm eine Gerade mit der Steigung a, das t-a-Diagramm eine Gerade parallel zur Zeitachse.
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Die Schüler kennen die Bewegungsgesetze von gleichmäßig beschleunigten Bewegungen aus
dem Stillstand und verstehen, dass diese als Funktionen (Bewegungsfunktionen) aufgefasst
werden können:
a t = a= konst.
v t= a⋅ t
1
s t = ⋅ a⋅ t 2
2
v s= 2⋅ a⋅ s
Sie können diese an einfachen, alltagsrelevanten Bewegungen anwenden.
Beispiel:
Ein Auto beschleunigt gleichmäßig von 0 auf 100 Stundenkilometer in 9,2 s. Berechne die
Beschleunigung a. Welche Strecke legt das Auto in dieser Zeit zurück?
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Die Schüler wissen, dass der freie Fall von Körpern (d.h. Fallbewegung ohne Berücksichtigung
des Luftwiderstandes) eine beschleunigte Bewegung mit der Fallbeschleunigung g = 9,81 m/s2
darstellt. Daher gelten die Bewegungsgesetze für den freien Fall:
g = konst.
v t= g⋅ t
1
s t= ⋅ g⋅ t 2
2
Beispiel:
Ein Stein fällt in einen 90 m tiefen Brunnen. Nach welcher Zeit nach dem Loslassen hörst du den
Aufprall des Steins?
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Es wird nochmals deutlich, dass Fallzeiten und -geschwindigkeiten beim freien Fall unabhängig
von der Masse des Körpers sind.
Atome
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Die Schüler wiederholen den aus dem Chemie-Unterricht bekannten Aufbau von Atomen.
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9. Klasse
Atome bestehen aus der negativ geladenen Atomhülle mit Elektronen, sowie aus dem positiv
geladenen Atomkern mit Protonen und Neutronen. Die Massenzahl A gibt dabei die Zahl der
Protonen und Neutronen an, die Kernladungszahl Z die Zahl der Protonen, die der Zahl der
Elektronen entspricht, wenn ein neutrales Atom vorliegt..
AX
Z
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A=Z+N
Beispiel:
235 U
: 92 Protonen, 143 Neutronen
92
Die Schüler können den Ölfleckversuch und das Rutherford'sche Streuexperiment
beschreiben. Sie kennen die Struktur und Größenverhältnisse von Atomen:
Atom:
10-10 m
Atomkern:
10-14 m
Proton:
10-15 m
Elektron:
10-18 m
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Protonen und Neutronen bestehen ihrerseits aus Quarks, dem up-Quark und dem down-Quark.
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Die Schüler kennen den Unterschied zwischen kontinuierlichen Spektren, Linienspektren und
Absorptionsspektren und verstehen deren Entstehung:
Jedem Elektron der Atomhülle lässt sich eine bestimmte Energie zuordnen. Man spricht von
Energieniveaus.
Wechselt ein Elektron der Atomhülle von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres, so
verringert sich die Energie des Atoms um den Differenzbetrag ΔE. Diese Energieportion, die
ausgesandt wird, nennt man Lichtquant oder Photon.
Der Umkehrprozess ist die Absorption eines Photons, dabei springt ein Elektron auf ein höheres
Energieniveau.
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Man verwendet für Photonenenergien meistens die Einheit Elektronenvolt (eV).
1 eV = 1,6⋅ 10− 19 J
Beispiel: Anhand eines vorgegebenen Energieniveauschemas sollen mögliche Photonenenergien
berechnet werden.
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Im sichtbaren Bereich liegen die Photonenenergien zwischen 1,5 und 3,3 eV. Wechseln
Elektronen zwischen Energieniveaus in Kernnähe, entstehen Photonen mit Energien bis in den
MeV-Bereich. Man spricht von Röntgenstrahlung.
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Die Schüler kennen die Eigenschaften von Röntgenstrahlung
1. Röntgenstrahlung kann aufgrund ihrer Energie Zellen schädigen und Stoffe ionisieren
2. Röntgenstrahlung durchdringt viele Stoffe und wird von verschiedenen Stoffen
unterschiedlich absorbiert (→ Röntgendiagnostik)
3. Röntgenstrahlung schwärzt Filme
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Das Spektrum einer Röntgenröhre besteht aus einem Bremsspektrum und einem charakteristischen
Spektrum.
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Grundwissen Physik
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9. Klasse
Radioaktive Nuklide senden bei Kernumwandlungen radioaktive Strahlung aus. Die Schüler
kennen die grundlegenden Arten:
1. α – Strahlung (zweifach positiv geladene Heliumkerne, Abschirmung durch dünne
Papierschichten, wird in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt)
2. β – Strahlung (Elektronen oder Positronen, Abschirmung durch einige mm Aluminium,
wird in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt )
3. γ – Strahlung (energiereiche elektromagnetische Strahlung, Abschirmung durch dicke
Bleiwände, wird in elektrischen und magnetischen Feldern nicht abgelenkt)
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Die Schüler kennen das Funktionsprinzip eines Nachweisgerätes für radioaktive Strahlung, z.B.
des Geiger-Müller-Zählrohrs.
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Die Halbwertszeit gibt an, in welcher Zeit sich jeweils die Hälfte der radioaktiven Atomkerne
umwandelt.
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Die Schüler kennen die Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit radioaktiver Strahlung (Abstand
halten, abschirmen, keine Nahrungsaufnahme, möglichst geringe Aktivität)
Für die biologische Wirkung von Strahlung ist die Äquivalentdosis H entscheidend.
E absorbierte Energie
H = q⋅ D
D= =
m Masse des Körpers
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Der Bewertungsfaktor q beschreibt dabei die unterschiedliche biologische Wirkung der verschiedenen
Strahlenarten. Die Einheit für H nennt man Sievert (1 Sv)
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Die Aufspaltung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere nennt man Kernspaltung. Die
Verschmelzung von leichten Atomkernen zu einem schwereren nennt man Kernfusion. (→
Anwendung: Kernkraftwerk, Fusionskraftwerk). Dabei werden unterschiedlich hohe Energien frei.
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Für beide Fälle gilt, dass die Masse der Ausgangskerne und -teilchen größer ist, als die Masse der
Endkerne und -teilchen. Man spricht vom Massendefekt.
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Mit Einsteins berühmter Gleichung E = mc2 kann die zugehörige Energie berechnet werden.
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Die Schüler kennen Grundlagen, Nutzen und Risiken der Kern- bzw. Energietechnologie und
können sich bei der Diskussion darüber ihrem Alter entsprechend kompetent beteiligen.
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