Teil I (Jahrgangsstufe 7-10) - Melanchthon Gymnasium Nürnberg
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Physik-Skript Teil I Melanchthon-Gymnasium Nürnberg Volker Dickel 3. überarbeitete Auflage, 2014 2. überarbeitete Auflage, 2012 1. Auflage 2008 Vorwort Liebe Schülerinnen und Schüler des Melanchthon-Gymnasiums, dieses Skript ist eine Handreichung für den Physikunterricht ab der 7. Klasse. Es umfasst alle vom neuen Fachlehrplan für das achtjährige Gymnasium vorgesehenen Unterrichtsinhalte. Diese sind allerdings nicht in Form eines Grundwissenkatalogs dargestellt, sondern als geschlossene, jahrgangsstufengemäß aufbereitete Abhandlung über die physikalischen Wissenselemente, wie sie im Physikunterricht behandelt werden könnten. Folgende Gründe haben mich veranlasst dieses Skript zu schreiben, obwohl natürlich in jeder Jahrgangsstufe Physikbücher vorliegen: Es sollen die wesentlichen Sachverhalte so klar herausgearbeitet werden, dass Du in der Lage bist, Dir die Fülle von Beispielen und Anwendungsfällen, die im Alltag, in der Technik und auch im Lehrbuch vorkommen, weitestgehend selbst zu erklären. Um zunächst Wesentliches von Unwesentlichem zu trennen, kommen im Text nur die wichtigsten Beispiele und davon nur so viele vor, wie man benötigt, um sich den Sachverhalt klar zu machen. Der Lehrplan des G8 sieht vor, dass nahezu in jeder Jahrgangsstufe die Bereiche Optik, Mechanik, Elektrizität und Magnetismus sowie Aufbau der Materie behandelt werden. Dabei wird in jedem Schuljahr auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Jahre aufgebaut. Das Skript soll Dir helfen, Dir jederzeit in einem sehr überschaubaren Aufwand einen Überblick über die bereits behandelten Sachverhalte zu verschaffen. Dazu dienen auch viele Querverweise innerhalb des Skripts, die Dich schnell zu den Stellen führen, an denen der angesprochene Gegenstand zum ersten Mal auftauchte. Zu diesem Zweck befindet sich im Anhang auch ein ausführlicher Index. Mitschriften und das Erstellen von Zeichnungen benötigen während der knapp bemessenen Unterrichtsstunden viel Zeit. Mit Verwendungen des Skripts könnte es möglich sein, sich stattdessen ausgiebiger mit Experimenten, mit Übungen und vor allem mit Diskussionen über physikalische Fragen zu beschäftigen; auch könnte ein größerer Freiraum für Referate gegeben sein. Für Hinweise auf Fehler im Skript, Verbesserungsvorschläge, Ergänzungen und Anregungen bin ich dankbar. Solche können an die Adresse [email protected] gerichtet werden. Mein besonderer Dank gilt meiner Schülerin Samantha Philips für die vielen von ihr erstellten Zeichnungen. Viel Spaß bei der Lektüre Volker Dickel (OStR) – Fachbetreuer für das Fach Physik – Melanchthon-Gymnasium Nürnberg Juni 2014 Weitere Teile des Physik-Skripts Teil II: Teilchenphysik, Elektrodynamik, Optik und Relativitätstheorie (11. Jahrgangsstufe) Teil III: Quanten-, Atom- und Kernphysik (12. Jahrgangsstufe) Teil IV: Astrophysik (12. Jahrgangsstufe) Inhaltsverzeichnis KLASSE 7 .................................................................................................................................................................... 1 OPTIK I ....................................................................................................................................................................... 1 1. STRAHLENOPTIK .......................................................................................................................................... 1 1.1. LICHTQUELLEN UND AUSBREITUNG DES LICHTS ........................................................................................ 1 1.1.1. Lichtquellen ........................................................................................................................................... 1 1.1.2. Sehen ..................................................................................................................................................... 1 1.1.3. Schattenbildung ..................................................................................................................................... 1 1.1.4. Die Lochkamera .................................................................................................................................... 2 1.2. WECHSELWIRKUNG VON LICHT UND MATERIE ........................................................................................... 3 1.2.1. Reflexion................................................................................................................................................ 3 1.2.2. Brechung ............................................................................................................................................... 4 1.3. LINSEN-ABBILDUNGEN ............................................................................................................................... 6 1.3.1. Sammellinse........................................................................................................................................... 6 1.3.2. Linsensysteme........................................................................................................................................ 6 1.4. DAS AUGE .................................................................................................................................................. 7 1.5. FARBEN ...................................................................................................................................................... 7 1.5.1. Spektralzerlegung von weißem Licht ..................................................................................................... 7 1.5.2. Farbe als Stoffeigenschaft ..................................................................................................................... 8 1.5.3. Farbwahrnehmung und Farbenlehre .................................................................................................... 8 ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS I ............................................................................................................ 9 2. ELEKTRISCHER STROM.............................................................................................................................. 9 2.1. EINFACHE STROMKREISE ............................................................................................................................ 9 2.1.1. Stromquellen, Stromkreise, Schaltbilder ............................................................................................... 9 2.1.2. Leiter und Nichtleiter ............................................................................................................................ 9 2.2. ELEKTRISCHER STROM UND ELEKTRISCHE SPANNUNG ............................................................................. 10 2.2.1. Einfaches Atom- und Festkörpermodell .............................................................................................. 10 2.2.2. Elektrischer Strom als Fluss geladener Teilchen ................................................................................ 11 2.3. WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMES .............................................................................................. 12 2.3.1. Wärmewirkung .................................................................................................................................... 12 2.3.2. Leuchtwirkung ..................................................................................................................................... 13 2.4. GLEICHSTROM UND WECHSELSTROM ....................................................................................................... 13 2.4.1. Unterschiede der Stromarten .............................................................................................................. 13 2.4.2. Stromkreise in Haushalt und Technik ................................................................................................. 13 2.4.3. Gefahren im Umgang mit Elektrizität ................................................................................................. 14 3. MAGNETISMUS ............................................................................................................................................ 15 3.1. FESTKÖRPERMAGNETEN ........................................................................................................................... 15 3.1.1. Stab- und Hufeisenmagneten, magnetische Pole................................................................................. 15 3.1.2. Wirkung eines Magneten auf andere Stoffe ......................................................................................... 15 3.1.3. Erdmagnetismus .................................................................................................................................. 15 3.2. MAGNETISCHE WIRKUNG DES ELEKTRISCHEN STROMES .......................................................................... 16 3.2.1. Der Elektromagnet .............................................................................................................................. 16 3.2.2. Anwendungen ...................................................................................................................................... 16 MECHANIK I ........................................................................................................................................................... 17 4. GRUNDGRÖßEN DER KINEMATIK (BEWEGUNGSLEHRE).............................................................. 17 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. RAUM ....................................................................................................................................................... 17 ORT UND BEWEGUNG ............................................................................................................................... 17 BAHNKURVEN UND WEGLÄNGEN ............................................................................................................. 17 ZEIT .......................................................................................................................................................... 18 4.5. GESCHWINDIGKEIT ................................................................................................................................... 19 4.5.1. Mittlere Geschwindigkeit .................................................................................................................... 19 4.5.2. Geschwindigkeit (Momentangeschwindigkeit) .................................................................................... 19 4.6. MASSE UND DICHTE ................................................................................................................................. 24 4.7. BESCHLEUNIGUNG .................................................................................................................................... 25 5. KRAFT ............................................................................................................................................................. 28 5.1. EIGENSCHAFTEN VON KRÄFTEN ............................................................................................................... 28 5.1.1. Kraft als gerichtete Größe................................................................................................................... 28 5.1.2. Kräfteaddition ..................................................................................................................................... 28 5.1.3. Kräftezerlegung ................................................................................................................................... 29 5.1.4. Kräftegleichgewicht ............................................................................................................................ 30 5.2. KRAFT – URSACHE VON GESCHWINDIGKEITSÄNDERUNG ......................................................................... 30 5.2.1. Reibung ............................................................................................................................................... 30 5.2.2. Trägheitsgesetz .................................................................................................................................... 31 5.2.3. Kraft – Produkt aus Masse und Beschleunigung................................................................................. 32 5.2.4. Wechselwirkungsgesetz ....................................................................................................................... 33 5.3. KRAFTARTEN ............................................................................................................................................ 34 5.3.1. Gravitationskraft ................................................................................................................................. 34 5.3.2. Elektrische Kraft ................................................................................................................................. 35 5.3.3. Magnetische Kraft ............................................................................................................................... 35 5.3.4. Kernkraft ............................................................................................................................................. 35 5.3.5. „Alltagskräfte“ .................................................................................................................................... 35 5.4. KRAFT – URSACHE VON VERFORMUNG .................................................................................................... 36 5.5. DRUCK...................................................................................................................................................... 37 KLASSE 8 .................................................................................................................................................................. 39 MECHANIK II.......................................................................................................................................................... 39 6. KRAFTWANDLER ........................................................................................................................................ 39 6.1. BEISPIELE FÜR KRAFTWANDLER ............................................................................................................... 39 6.1.1. Flaschenzug......................................................................................................................................... 39 6.1.2. Hebel ................................................................................................................................................... 39 6.1.3. Schiefe Ebene ...................................................................................................................................... 40 6.1.4. Hydraulik ............................................................................................................................................ 40 6.2. DIE GOLDENE REGEL DER MECHANIK ...................................................................................................... 41 7. ARBEIT UND ENERGIE ............................................................................................................................... 41 7.1. ARBEIT ..................................................................................................................................................... 41 7.1.1. Definition der Arbeit ........................................................................................................................... 41 7.1.2. Beispiele für Arbeit ............................................................................................................................. 42 7.2. ENERGIE ................................................................................................................................................... 43 7.2.1. Energiebegriff ..................................................................................................................................... 43 7.2.2. Energieerhaltung................................................................................................................................. 43 7.2.3. Energieformen ..................................................................................................................................... 44 7.2.4. Einheit der Energie ............................................................................................................................. 47 7.2.5. Weitere Beispiele für Energieumwandlungen ..................................................................................... 47 7.2.6. Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie ..................................................................................... 48 7.3. LEISTUNG UND WIRKUNGSGRAD .............................................................................................................. 49 7.3.1. Leistung ............................................................................................................................................... 49 7.3.2. Wirkungsgrad ...................................................................................................................................... 49 7.3.3. Perpetuum mobile ............................................................................................................................... 50 AUFBAU DER MATERIE I .................................................................................................................................... 51 8. BAUSTEINE DER MATERIE....................................................................................................................... 51 8.1. 8.2. 8.3. ATOME ..................................................................................................................................................... 51 MOLEKÜLE ............................................................................................................................................... 55 FESTKÖRPER ............................................................................................................................................. 55 WÄRMELEHRE (THERMODYNAMIK) ............................................................................................................. 57 9. WÄRMELEHRE ALS MIKROSKOPISCHE MECHANIK ...................................................................... 57 9.1. PHÄNOMENOLOGISCHES ÜBER TEMPERATUR UND WÄRME ...................................................................... 57 9.1.1. Temperatur und Temperaturmessung ................................................................................................. 57 9.1.2. Temperaturausgleich (0. Hauptsatz der Wärmelehre) ........................................................................ 57 9.1.3. Abhängigkeit des Volumens eines Körpers von der Temperatur......................................................... 57 9.1.4. Wärme ................................................................................................................................................. 58 9.1.5. Druck in Gasen ................................................................................................................................... 58 9.2. GRUNDBEGRIFFE DER KINETISCHEN GASTHEORIE .................................................................................... 59 9.2.1. Innere Energie..................................................................................................................................... 59 9.2.2. Temperatur als Maß der mittleren kinetischen Translationsenergie................................................... 59 9.2.3. Die Kelvin-Skala und der absolute Temperatur-Nullpunkt ................................................................. 60 9.2.4. Wärmeaustausch und Temperaturausgleich ....................................................................................... 60 9.2.5. Druck................................................................................................................................................... 61 9.2.6. Gasgesetze ........................................................................................................................................... 62 9.2.7. Änderung der inneren Energie (1. Hauptsatz der Wärmelehre) ......................................................... 63 9.2.8. Wärmekraftmaschinen und der 2. Hauptsatz der Wärmelehre ........................................................... 64 9.2.9. Entropie ............................................................................................................................................... 65 9.3. WEITERE DRUCKPHÄNOMENE, SCHWEREDRUCK UND AUFTRIEB ............................................................. 65 9.4. MEHRATOMIGE GASE, „REALE GASE“, FLÜSSIGKEITEN UND FESTKÖRPER............................................... 68 9.4.1. Innere Energie und Freiheitsgrade ..................................................................................................... 68 9.4.2. Wärmekapazität................................................................................................................................... 70 9.4.3. Änderung der inneren Energie ............................................................................................................ 72 9.5. WÄRMETRANSPORT .................................................................................................................................. 73 9.6. AGGREGATZUSTÄNDE UND PHASENÜBERGÄNGE ...................................................................................... 74 9.6.1. Phasenübergang: fest-flüssig .............................................................................................................. 74 9.6.2. Phasenübergang: flüssig-gasförmig.................................................................................................... 76 9.6.3. Weitere Phasenübergänge und Besonderheiten .................................................................................. 77 ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS II ......................................................................................................... 79 10. ELEKTRISCHER WIDERSTAND ............................................................................................................... 79 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. DEFINITION DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDS ....................................................................................... 79 OHMSCHES GESETZ .................................................................................................................................. 79 WIDERSTAND VON DRÄHTEN ................................................................................................................... 80 WIDERSTANDSGESETZE IN SCHALTUNGEN ............................................................................................... 80 GEFAHREN DES ELEKTRISCHEN STROMES; GEWITTER .............................................................................. 82 11. ELEKTRISCHE ENERGIE UND LEISTUNG............................................................................................ 82 12. ENERGIEVERSORGUNG ............................................................................................................................ 83 12.1. ENERGIEQUELLEN ..................................................................................................................................... 83 12.2. WÄRMEKRAFTWERKE ............................................................................................................................... 84 12.2.1. Verbrennungskraftwerke ................................................................................................................ 84 12.2.2. Kernkraftwerke ............................................................................................................................... 85 12.3. REGENERATIVE ENERGIEQUELLEN ........................................................................................................... 85 KLASSE 9 .................................................................................................................................................................. 87 ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS III ....................................................................................................... 87 13. ELEKTRISCHE UND MAGNETISCHE FELDER .................................................................................... 87 13.1. DEFINITION DES „FELDES“........................................................................................................................ 87 13.2. ELEKTRISCHE FELDER .............................................................................................................................. 87 13.2.1. Kraftwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen ............................................................... 87 13.2.2. Elektrische Felder von Punktladungen ........................................................................................... 88 13.2.3. Elektrisches Feld eines Plattenkondensators ................................................................................. 89 13.2.4. Der Faradaysche Käfig .................................................................................................................. 89 13.3. MAGNETISCHE FELDER ............................................................................................................................. 89 13.3.1. Festkörpermagnetismus .................................................................................................................. 89 13.3.2. Magnetische Wirkung des elektrischen Stromes ............................................................................. 90 13.4. „FELD“ ALS EIGENSTÄNDIGES PHYSIKALISCHES OBJEKT .......................................................................... 92 13.5. GELADENE TEILCHEN IM ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHEN FELD ....................................................... 93 13.5.1. Kraft auf ein geladenes Teilchen im elektrischen Feld................................................................... 93 13.5.2. Kraft auf ein geladenes Teilchen im magnetischen Feld ................................................................ 93 13.5.3. Weitere Anwendungen .................................................................................................................... 94 14. ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION ................................................................................................. 97 14.1. INDUKTIONSSTROM UND INDUKTIONSSPANNUNG ..................................................................................... 97 14.2. LENZSCHE REGEL UND ENERGIEERHALTUNGSSATZ ................................................................................. 98 14.3. ANWENDUNGEN........................................................................................................................................ 98 14.3.1. Generator ....................................................................................................................................... 98 14.3.2. Transformator ................................................................................................................................ 99 14.3.3. Wirbelstrombremse....................................................................................................................... 100 14.3.4. Induktion im „Alltag“................................................................................................................... 100 AUFBAU DER MATERIE II – OPTIK II............................................................................................................ 101 15. MESSUNG ATOMARER GRÖßEN ........................................................................................................... 101 15.1. 15.2. ABSCHÄTZUNG DES ATOMDURCHMESSERS – ÖLTRÖPFCHENEXPERIMENT ............................................. 101 BESTIMMUNG DES ATOMKERNRADIUS – RUTHERFORD-STREUUNG........................................................ 101 16. ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ............................................................................................. 102 16.1. 16.2. ENERGIE ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG ..................................................................................... 102 LICHTQUELLEN UND SPEKTRALTYPEN .................................................................................................... 103 17. DIE QUANTENMECHANIK DES ATOMS .............................................................................................. 104 17.1. 17.2. DIE BOHRSCHEN POSTULATE.................................................................................................................. 104 QUANTENMECHANIK DES WASSERSTOFF-ATOMS................................................................................... 105 18. EMISSION UND ABSORPTION VON ENERGIE ................................................................................... 107 18.1. DISKRETES EMISSIONSSPEKTRUM ........................................................................................................... 107 18.2. ANREGUNG VON ATOMEN ...................................................................................................................... 109 18.3. ABSORPTIONSSPEKTREN ......................................................................................................................... 109 18.4. SPEKTROSKOPIE IN DER ASTROPHYSIK ................................................................................................... 110 18.5. BESONDERHEITEN BEI DER WECHSELWIRKUNG VON LICHT MIT ATOMEN .............................................. 111 18.5.1. Fluoreszenz................................................................................................................................... 111 18.5.2. Phosphoreszenz ............................................................................................................................ 111 18.5.3. Photo-Effekt .................................................................................................................................. 111 18.5.4. Compton-Effekt ............................................................................................................................. 112 18.5.5. Rayleigh-Streuung: Himmelsblau und Abendrot .......................................................................... 112 18.5.6. Absorption ohne anschließende Strahlungsemission .................................................................... 113 18.5.7. Infrarotstrahlung eines Körpers ................................................................................................... 113 18.6. DAS KONTINUIERLICHE SPEKTRUM......................................................................................................... 114 18.6.1. Spektren leuchtender Festkörper .................................................................................................. 114 18.6.2. Kontinuierliche Sternspektren ...................................................................................................... 114 18.7. RÖNTGENSTRAHLUNG ............................................................................................................................ 115 18.7.1. Künstliche Erzeugung von Röntgenstrahlung .............................................................................. 115 18.7.2. Das Röntgenspektrum ................................................................................................................... 115 18.7.3. Anwengungen ............................................................................................................................... 117 19. PHYSIK DES ATOMKERNS ...................................................................................................................... 118 19.1. KERNBAUSTEINE UND KERNKRAFT ........................................................................................................ 118 19.2. NUKLIDKARTE – STABILE UND INSTABILE KERNE................................................................................... 119 19.3. IONISIERENDE WIRKUNG UND NACHWEIS RADIOAKTIVER STRAHLUNG ................................................. 120 19.3.1. Nebelkammer ................................................................................................................................ 120 19.3.2. Ionisationskammer und Geiger-Müller-Zählrohr ......................................................................... 120 19.4. STRAHLUNGSARTEN, IHRE EIGENSCHAFTEN UND IHRE ENTSTEHUNG ..................................................... 121 19.4.1. α-Strahlung ................................................................................................................................... 121 19.4.2. β--Strahlung .................................................................................................................................. 122 19.4.3. β+-Strahlung ................................................................................................................................. 123 19.4.4. Neutrino-Strahlung ....................................................................................................................... 124 19.4.5. γ-Strahlung ................................................................................................................................... 124 19.4.6. Protonen- und Neutronen-Strahlung ............................................................................................ 125 19.5. NATÜRLICHE ZERFALLSREIHEN .............................................................................................................. 126 19.6. STRAHLUNGSTRENNUNG ........................................................................................................................ 126 19.7. AKTIVITÄT .............................................................................................................................................. 127 19.8. ZERFALLSGESETZ ................................................................................................................................... 128 19.9. BIOLOGISCHE STRAHLENWIRKUNG ........................................................................................................ 129 19.10. STRAHLENBELASTUNG ....................................................................................................................... 129 19.11. STRAHLENSCHUTZ ............................................................................................................................. 130 19.12. KERNSPALTUNG ................................................................................................................................. 131 19.12.1. Prinzip der Kernspaltung ............................................................................................................. 131 19.12.2. Funktionsweise eines Kernkraftwerks .......................................................................................... 131 19.13. KERNFUSION ...................................................................................................................................... 132 19.13.1. Kernfusion in Sternen ................................................................................................................... 133 19.13.2. Kernfusionsreaktor ....................................................................................................................... 133 19.14. ENERGIEBILANZEN ............................................................................................................................. 134 MECHANIK III ...................................................................................................................................................... 135 20. KINEMATIK UND DYNAMIK GERADLINIGER BEWEGUNGEN.................................................... 135 20.1. ÜBERBLICK ÜBER DIE GRÖßEN DER MECHANIK ...................................................................................... 135 20.2. KOORDINATENSYSTEME UND DIMENSIONEN .......................................................................................... 136 20.3. BEWEGUNGSABLÄUFE IN DIAGRAMMEN................................................................................................. 136 20.3.1. Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit .................................................................................. 136 20.3.2. Bewegung mit phasenweise konstanter Geschwindigkeit ............................................................. 137 20.4. BEWEGUNGSFUNKTIONEN ...................................................................................................................... 137 20.4.1. Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit .............................................................................. 137 20.4.2. Beschleunigte Bewegungen .......................................................................................................... 139 20.5. AUSGEWÄHLTE BEISPIELE FÜR BESCHLEUNIGTE BEWEGUNGEN............................................................. 142 20.5.1. Bewegung im Erdkraftfeld ............................................................................................................ 142 20.5.2. Schiefe Ebene ............................................................................................................................... 145 20.6. ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................................................................. 147 KLASSE 10 .............................................................................................................................................................. 149 MECHANIK IV ...................................................................................................................................................... 149 21. DIE NEWTONSCHEN GESETZE.............................................................................................................. 149 21.1.1. 21.1.2. 21.1.3. Trägheitsgesetz ............................................................................................................................. 149 Bewegungsgesetz .......................................................................................................................... 149 Wechselwirkungsgesetz ................................................................................................................ 150 22. ERHALTUNGSSÄTZE DER MECHANIK ............................................................................................... 151 22.1. ENERGIE UND ENERGIEERHALTUNG ....................................................................................................... 151 22.1.1. Energieformen .............................................................................................................................. 151 22.1.2. Energieerhaltungssatz .................................................................................................................. 152 22.2. IMPULS UND IMPULSERHALTUNG ............................................................................................................ 153 22.2.1. Impulserhaltungssatz .................................................................................................................... 153 22.2.2. Eigenschaften des Impulses .......................................................................................................... 155 22.2.3. Stoßgesetze (zentraler Stoß) ......................................................................................................... 156 22.3. DREHIMPULS UND DREHIMPULSERHALTUNG .......................................................................................... 159 23. ZWEIDIMENSIONALE BEWEGUNGEN ................................................................................................ 160 23.1. WURFBEWEGUNGEN ............................................................................................................................... 160 23.1.1. Waagerechter Wurf (ohne Reibung) ............................................................................................. 160 23.1.2. Schiefer Wurf (ohne Reibung) ...................................................................................................... 162 23.2. KREISBEWEGUNG ................................................................................................................................... 162 23.2.1. Winkelgeschwindigkeit und Frequenz .......................................................................................... 162 23.2.2. Beschreibung von Kreisbewegungen ............................................................................................ 163 23.2.3. Bahngeschwindigkeit .................................................................................................................... 164 23.2.4. Die Zentripetalkraft ...................................................................................................................... 165 24. TRÄGHEITSKRÄFTE ................................................................................................................................. 166 24.1. 24.2. 24.3. LINEARE TRÄGHEITSKRAFT .................................................................................................................... 167 ZENTRIFUGALKRAFT............................................................................................................................... 167 CORIOLISKRAFT ...................................................................................................................................... 168 ASTRONOMIE ....................................................................................................................................................... 171 25. DAS SONNENSYSTEM ............................................................................................................................... 171 26. GESETZE DER HIMMELSMECHANIK.................................................................................................. 173 26.1. DAS GRAVITATIONSGESETZ.................................................................................................................... 173 26.2. PLANETENBAHNEN ................................................................................................................................. 174 26.2.1. Form der Planetenbahnen (1. Keplersches Gesetz) ..................................................................... 174 26.2.2. Eigenschaften der Ellipse ............................................................................................................. 174 26.2.3. Exzentrizitäten der Bahnen von Himmelskörpern ........................................................................ 174 26.2.4. Planetenbewegung (2. Keplersches Gesetz) ................................................................................. 175 26.2.5. Maßstab des Sonnensystems (3. Keplersches Gesetz) .................................................................. 175 26.3. GRAVITATIONSKRAFT ALS ZENTRIPETALKRAFT ..................................................................................... 176 26.3.1. Bestimmung der Sonnenmasse...................................................................................................... 177 26.3.2. Bestimmung der Masse des Jupiters ............................................................................................. 177 26.3.3. Umlaufbahnen von Satelliten........................................................................................................ 178 26.3.4. Herleitung des 3. Keplerschen Gesetzes aus dem Gravitationsgesetz .......................................... 178 26.4. SCHWERELOSIGKEIT ............................................................................................................................... 179 27. GROßRÄUMIGE STRUKTUREN DES UNIVERSUMS ......................................................................... 179 SCHWINGUNGEN UND WELLEN .................................................................................................................... 181 28. SCHWINGUNGEN ....................................................................................................................................... 181 28.1. 28.2. DAS FADENPENDEL ................................................................................................................................ 181 DAS FEDERPENDEL ................................................................................................................................. 182 29. WELLEN IN DER MECHANIK ................................................................................................................. 183 29.1. ENTSTEHUNG VON WELLEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN......................................................................... 183 29.2. SPEZIELLE WELLEN-EFFEKTE ................................................................................................................. 184 29.2.1. Der Doppler-Effekt ....................................................................................................................... 184 29.2.2. Interferenz .................................................................................................................................... 185 29.2.3. Beugung und Interferenz .............................................................................................................. 186 30. WELLEN IN DER OPTIK – ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ................................................... 187 30.1. NACHWEIS DES WELLENCHARAKTERS ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG ....................................... 187 30.1.1. Beugung und Interferenz am Doppelspalt .................................................................................... 187 30.1.2. Reflexion ....................................................................................................................................... 187 30.1.3. Brechung ...................................................................................................................................... 188 30.1.4. Stehende Wellen ........................................................................................................................... 188 30.1.5. Doppler-Effekt: Rot- und Blauverschiebung ................................................................................ 188 30.1.6. Weitere Eigenschaften & Entstehung elektromagnetischer Wellen .............................................. 189 30.2. DER WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG .......................................... 190 31. QUANTENPHYSIK – WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS DER MATERIE....................................... 191 31.1. 31.2. 31.3. 31.4. INTERFERENZ VON MATERIEWELLEN ..................................................................................................... 191 STEHENDE MATERIEWELLEN .................................................................................................................. 192 „TUNNELNDE“ WELLEN.......................................................................................................................... 192 QUANTENFELDTHEORIE .......................................................................................................................... 193 RELATIVITÄTSTHEORIE .................................................................................................................................. 195 32. SPEZIELLE RELATIVITÄTSTHEORIE (SRT) ...................................................................................... 195 32.1. GRUNDLAGEN DER SRT ......................................................................................................................... 195 32.2. DIE GALILEI-TRANSFORMATION ............................................................................................................ 195 32.3. DIE KONSTANZ DER LICHTGESCHWINDIGKEIT........................................................................................ 196 32.4. KONSEQUENZEN FÜR RAUM UND ZEIT.................................................................................................... 196 32.4.1. Relativität der Gleichzeitigkeit ..................................................................................................... 196 32.4.2. Zeitdilatation ................................................................................................................................ 197 32.4.3. Längenkontraktion........................................................................................................................ 200 32.5. KONSEQUENZEN FÜR MASSE UND ENERGIE............................................................................................ 201 32.5.1. Relativistische Massenveränderlichkeit........................................................................................ 201 32.5.2. Relativistische Energie ................................................................................................................. 202 33. ALLGEMEINE RELATIVITÄTSTHEORIE (ART) ................................................................................ 204 ANHANG ................................................................................................................................................................. 207 A. NUMERISCHE BERECHNUNG EINDIMENSIONALER BEWEGUNGEN ................................................................ 207 B. HERLEITUNG DER STOßGESETZE FÜR DEN ELASTISCHEN STOß .................................................................... 213 C. KERNKRAFTWERKE ........................................................................................................................................ 215 INDEX...................................................................................................................................................................... 219
