Grundwissen Physik 9. Klasse - Luisenburg

Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel
Grundwissen für das Fach Physik
Jahrgangsstufe 9
Thema
Beispiele
1. Felder
Einen Raumbereich, in dem Kräfte auftreten,
bezeichnet man als FELD.
Die geometrische Gestalt eines Feldes lässt sich mit
Hilfe von Feldlinien darstellen.
•
Feldlinien sind gedachte Linien, die eine
Richtung haben. Sie zeigen in jedem Punkt des
Feldes an, in welche Richtung die Kraft auf eine
positive Ladung wirkt.
•
Die Dichte der Feldlinien veranschaulicht die
Stärke des Feldes.
Wirkt an jeder Stelle des Feldes die gleiche Kraft, so
heißt das Feld homogen.
Elektrisches Feld in der Nähe
einer negativen Ladung:
Magnetisches Feld in der
Umgebung eines
Dauermagneten:
S
N
Homogenes Gravitationsfeld an der Erdoberfläche:
1.1. Magnetische Felder
In der Nähe von Dauermagneten und in der Nähe
von stromdurchflossenen Leitern treten Magnetfelder
auf.
Fließt ein Strom durch einen geraden Leiter, so
entsteht ein magnetisches Feld.
Die Feldlinien umgeben den Leiter kreisförmig.
1.2. Kraft auf stromdurchflossene
Leiter
Feld eines
Hufeisenmagneten:
Feld eines geraden Leiters:
I
Rechte-Faust-Regel:
Wird ein stromdurchflossener Leiter
mit der rechten Hand so umfasst, dass
der abgespreizte Daumen in Richtung
der Stromrichtung weist, so zeigen die
gekrümmten Finger in Richtung des
entstehenden Magnetfeldes.
-
Feldlinien
▬
+
B
+
Stromrichtung
U=Ursache
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in
einem Magnetfeld, so kann auf ihn eine Kraft
wirken.
Fließt der Strom senkrecht zu den Feldlinien, so
wirkt eine Kraft auf den Leiter, die senkrecht zu den
Feldlinien und senkrecht zum Leiter ist.
Strom
Kraft
Feldrichtung
V=Vermittlg.
Kraftrichtg.
W=Wirkung
UVW-Regel der rechten Hand:
Zeigt der Daumen in die Stromrichtung (=Ursache) und der
Zeigefinger in die Feldrichtung (=Vermittlung), so zeigt der
Mittelfinger in die Richtung, in die die Kraft wirkt (=Wirkung).
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1.3. Elektromotor
Im Elektromotor wirkt auf stromdurchflossene Leiter
in einem Magnetfeld ein Kraft. Durch geschicktes,
periodisches Umpolen mit Hilfe eines Kommutators
wird eine Drehbewegung erzeugt.
1.4. Kräfte auf freie Ladungen im
elektrischen Feld
Auf geladene Teilchen wirken in einem elektrischen
Feld Kräfte.
Bewegt sich das geladenen Teilchen parallel zu den
Feldlinien, so wird es schneller oder langsamer.
Bewegt es sich quer zu den Feldlinien, so wird es
seitlich abgelenkt.
Kommutator
Im elektr. Längsfeld:
Im elektr. Querfeld:
+ + + + + +
+
+
+
+
▬
+
▬
▬
▬
▬
▬
▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬
1.5. Kräfte auf freie Ladungen im
magnetischen Feld
Auf geladene Teilchen wirken in einem
magnetischen Feld nur dann Kräfte, wenn sich die
Teilchen bewegen, aber nicht parallel zu den
Feldlinien fliegen.
Kreisbahn:
Die Teilchen fliegen dann auf Kreisbahnen oder
Schraubenlinien.
Diese Kraft heißt Lorentzkraft.
2. Induktion
Schraubenlinie:
+
Feldlinien
-
2.1. Induktion im bewegten Leiter
Bewegt man einen Leiter quer durch ein Magnetfeld,
so werden infolge der Lorentzkraft die Ladungen in
Leiterrichtung verschoben und an den Leiterenden
entsteht eine Spannung.
Bewegung
U=Ursache
Bewegung
Strom
Feldrichtg.
V=Vermittlu
ng
Stromrichtg.
W=Wirkung
UVW-Regel der rechten Hand:
Zeigt der Daumen in die Bewegungsrichtung (=Ursache) und der
Zeigefinger in die Feldrichtung (=Vermittlung), so zeigt der
Mittelfinger in die Richtung, in die der Strom fließt (=Wirkung).
Anwendung: Generator
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2.2. Induktion im ruhenden Leiter
Ändert sich in einer Spule das Magnetfeld, so wird
an den Anschlüssen der Spule eine Spannung
erzeugt.
Anwendung Transformator:
•
Erzeugt man die Feldänderung in der Spule
durch einen Elektromagneten, der mit der Spule
einen gemeinsamen Eisenkern hat, so entsteht
ein Transformator.
•
Die felderzeugende Spule heißt Primärspule. An
sie wird eine Wechselspannung angelegt, so dass
ständig Feldänderungen erfolgen.
•
Die Sekundärspannung verhält sich zur
Primärspannung wie die Windungszahl der
Sekundärspule zur Windungszahl der
Primärspule:
US NS
=
UP NP
Zahlenbeispiel:
NP = 250; NS = 1000; UP = 10V ⇒ US = 40 V
2.3. Die Lenzsche Regel
Die induzierte Spannung ist so gerichtet, dass der
Induktionsstrom der Ursache der Induktion
entgegenwirkt.
3. Atome
3.1. Aufbau der Atome
Beispiel: Wirbelstrombremse
Der Versuch von Rutherford: α-Teilchen durchdringen
dünne Goldfolien.
Atome bestehen aus einer negativ geladenen
Atomhülle mit Elektronen sowie einem viel
kleineren positiv geladenen Atomkern mit Protonen
und Neutronen.
Schreibweise: ZA X , dabei ist
X: Name des Elements
A: Massenzahl des Atoms
Z: Kernladungszahl oder Ordnungszahl
Struktur und Größenverhältnisse von Atomen kann
man experimentell untersuchen (Ölfleckversuch und
Streuversuche von Rutherford).
Größenordnungen:
Atom: 10-10m
Kern: 10-14m
Proton: 10-15m
Quark: < 10-18m
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3.2. Aufnahme und Abgabe von
Energie
E
•
•
•
•
•
Die Elektronen in der Atomhülle können nur
bestimmte Energiewerte annehmen. Zwischenwerte sind nicht möglich. Man spricht von
diskreten Energieniveaus.
Die Verhältnisse lassen sich übersichtlich in einem
so genannten Energieniveauschema darstellen.
Normalerweise befinden sich Atome energetisch
gesehen im tiefsten Energiezustand.
Man kann ein Atom in einen höheren Energiezustand bringen, indem man genau die passende
Energiedifferenz zu einer höheren Energiestufe
zuführt.
Ein derart angeregtes Atom geht wieder in einen
niedrigeren Energiezustand über, indem es Energie
in Form eines Photons (Lichtquant) abgibt. Diese
Energieportion entspricht genau der Differenz
zwischen den beiden Energieniveaus.
2. angeregter Zustand
1. angeregter Zustand
Grundzustand
E
2. angeregter Zustand
1. angeregter Zustand
Grundzustand
Aufnahme
von
Energie
Abgabe
von
Energie:
Photon wird
emittiert.
3.3. Spektren
Mit einem Prisma oder einem Gitter kann man Licht
in seine Spektralfarben zerlegen.
Linienspektren
Sie bestehen nur aus wenigen Farben.
Sie entstehen, wenn die Atome eines Elements von
einem angeregten Zustand in den Grundzustand
gehen.
Zu jeder Farbe gehört eine Photonenenergie, die
wiederum zu genau einem Übergang im Atom
gehört.
Weißes Licht
Glühlampen emittieren alle Farben, weil eine
Vielzahl unterschiedlicher Atome an der Aussendung 1,59 eV
der Photonen beteiligt sind.
3,18 eV
Zu jeder Farbe des Lichts einer Glühlampe gehört
eine Photonenenergie.
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3.4. Röntgenstrahlung
In größeren Atomen können die Energiedifferenzen
zwischen den Energieniveaus sehr groß sein. Dann
entstehen sehr energiereiche Photonen, die man als
Röntgenstrahlung bezeichnet.
Sie ist unsichtbar und durchdringt Materie.
3.5. Gamma-Strahlung
Auch Atomkerne können angeregt werden und
wieder in den Grundzustand gehen. Dadurch
entstehen noch energiereichere Photonen, die man
als Gamma-Strahlung bezeichnet.
4. Die Strahlung radioaktiver
Nuklide
Die so genannte radioaktive Strahlung kommt aus
den Atomkernen.
Man unterscheidet 3 Arten:
α-Strahlung:
•
besteht aus Helimatomkernen: 24 He 2+
•
zweifach positiv geladen
•
leicht abschirmbar
•
dringt nur oberflächlich in organisches Gewebe
ein, aber hinterlässt dort große Schäden an den
Zellen
β-Strahlung:
•
besteht aus Elektronen: e −
•
einfach negativ geladen
•
noch gut abschirmbar
•
dringt einige mm in organisches Gewebe ein und
hinterlässt Schäden
γ-Strahlung (siehe oben):
•
besteht aus Photonen
•
ungeladen
•
schwer abschirmbar
•
dringt tief in organisches Gewebe ein oder
durchdringt es sogar und hinterlässt dabei
Schäden
α
β
γ
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Beispiele:
α-Zerfall:
226
88
Die Ursache für die radioaktive Strahlung sind
instabile Kerne in Natur oder in technischen
Anlagen, die sich spontan in andere Kerne
umwandeln oder Energie abgeben.
β--Zerfall:
137
55
0 −
Cs→137
56 Ba + − 2 e
γ-Übergang:
137
56
Ba*→137
56 Ba + γ
Auf diese Weise nimmt die Anzahl der radioaktiven
Kerne des zerfallenden Stoffes und seine
Radioaktivität ab.
Nach der Halbwertszeit hat die Anzahl der
vorhandenen Kerne eines Stoffes auf die Hälfte
abgenommen.
Zerfallskurve: Die Aktivität nimmt mit der Zeit ab.
4.1. Ursache radioaktiver Strahlung
4
2+
Ra → 222
86 Rn + 2 He
4.2. Kernumwandlungen
Die Kernspaltung
Manche große Kerne können durch den Beschuss mit
Neutronen gespalten werden.
Dabei verschwindet ein kleiner Teil der Masse und
es entsteht Energie.
In Kernreaktoren wird dieser Vorgang zur
Erzeugung von Wärme benutzt.
Kernfusion
Auf der Sonne stoßen kleine Kerne so heftig
zusammen, dass daraus ein größerer Kern entsteht.
Auch dabei wird Energie frei und ein Teil der Masse
verschwindet.
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Diagramme:
5. Kinematik
10
Weg in m
5.1. Bewegungen mit konstanter
Geschwindigkeit
8
6
4
2
Sie werden durch die 3 Gleichungen beschrieben:
0
2
Weg: s( t ) = v0 ⋅ t + s0
4
6
8
10
8
10
8
10
8
10
8
10
8
10
Geschwindigkeit in m/s
Zeit in s
Geschwindigkeit: v (t ) = v0 = konst.
2
1.6
1.2
0.8
0.4
0
2
4
6
Beschleunigung in m/s²
Zeit in s
Beschleunigung: a (t ) = 0
10
8
6
4
2
0
2
4
6
Zeit in s
Sie werden durch die 3 Gleichungen beschrieben:
1
Weg: s( t ) = ⋅ a ⋅ t 2 + v0 ⋅ t + s0
2
Diagramme:
10
Weg in m
5.2. Bewegungen mit konstanter
Beschleunigung
8
6
4
2
0
2
4
6
Geschwindigkeit: v ( t ) = a ⋅ t + v0
Geschwindigkeit in m/s
Zeit in s
2
1.6
1.2
0.8
0.4
0
2
4
6
Beschleunigung: a ( t ) = a = konst.
Beschleunigung in m/s²
Zeit in s
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
2
4
6
Zeit in s
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5.3. Das Kraftgesetz
Die Bewegung eines Körpers der Masse m unter der
Einwirkung einer konstanten Kraft F erfolgt mit
konstanter Beschleunigung und es gilt:
F = m⋅a
Beispiel:
m
s2
m
kg ⋅ m
⇒ F = 250 kg ⋅ 1,5 2 = 375 2 = 375N
s
s
geg: m = 250 kg ;
a = 1,5
5.4. Der freie Fall
Ein Körper fällt frei, wenn er aus der Ruhe unter dem
Einfluss der Schwerkraft ohne Reibung nach unten
fällt.
In der Nähe der Erdoberfläche gilt für die
durchfallene Strecke:
1
⋅ g ⋅ t2
2
N
kg ⋅ m
mit g = 9,81
= 9,81 2
kg
s
s(t ) =
5.5. Kräfte an der schiefen Ebene
Die beschleunigende Kraft auf einer schiefen Ebene
ist die Hangabtriebskraft.
Sie kann durch die Zerlegung der Gewichtskraft
ermittelt werden:
Die Gewichtskraft wird als Vektorsumme von
Normalkraft und Hangabtriebskraft dargestellt.
Hangabtriebskraft
Normalkraft
Gewichtskraft
Bildquellennachweise:
Elektromotor
Autor: Walter Fendt, Quelle: www.walter-fendt.de/ph14d/elektromotor.htm
Generator
Autor: Walter Fendt, Quelle: www.walter-fendt.de/ph14d/generator.htm
Röntgenaufnahme:
Drgnu23, subsequently altered by Grendelkhan, Raul654, and Solipsist. Wikimedia Commons,
lizenziert unter CreativeCommons-Lizenz CC BY-SA 3.0,
URL: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.de
Kernspaltung:
Stefan-Xp, Wikimedia Commons, lizenziert unter CreativeCommons-Lizenz CC BY-SA 3.0,
URL: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.de
Kernfusion:
Wykis, Wikimedia Commons, gemeinfrei.
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