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Physik
...ist die wissenschaftliche Erforschung der Natur.
Mittlerweile sind unter diesem Begriff viele Bereiche vereint. Dazu gehören u.a.:
Mechanik, Kinetik, Akustik, Optik, Elektrizitätslehre, Astronomie und sogar Atom- und Quantenphysik.
Diese Seite ist das Ergebnis einiger Jahre Nachhilfe für Abiturienten.
Sie beschreibt und erklärt (iagK) einige grundlegene Dinge der Physik. Aber zuerst ein paar "Basics"...
Maße und Einheiten
In der Physik sollte man immer mit den zugehörigen Einheiten rechnen.
Nachfolgend sind einige gebräuchliche Maße und Einheiten aufgelistet (zuerst die sieben sog. Basiseinheiten).
Die sieben Basiseinheiten
|
Formelzeichen |
Einheit |
| Länge/Strecke |
s |
Meter: m |
| Masse |
m |
Gramm: g
Tonne: t (1t = 1.000 kg) |
| Zeit |
t |
Sekunde: s
Stunde: h (1h = 3.600 s) |
Stromstärke
magn. Durchflutung |
I |
Ampere: A = C / s = W / V |
| Temperatur |
T
t |
Kelvin: K
Grad Celsius: °C |
| Stoffmenge |
n |
Mol: mol |
| Lichtstärke |
Iv |
Candela: cd |
Weitere Einheiten
|
Formelzeichen |
Einheit |
| Ebener Winkel |
Radiant: rad |
1 |
| Raumwinkel |
Steradiant: sr |
1 |
| Fläche |
A |
m2 |
| Volumen |
V |
m3
Liter: l (1l = 1dm3) |
Frequenz
(Schwingungen/Sekunde) |
f; v |
Hertz: Hz = 1 / s |
Die meisten Einheiten werden mit Zusätzen für
Zehnerpotenzen versehen.
Formeln, Verhältnisse und abgeleitete Einheiten
|
Formelzeichen |
Einheit |
| Gewichtskraft |
F = m · g |
Newton: N = kg · m / s2 |
| Druck |
p = F / A |
Pascal: Pa = N / m2 = kg / (m · s2) |
Energie
Arbeit
Wärmemenge |
E
W
Q |
Joule: J = N · m = W · s = kg · m2 / s2 |
| Leistung |
P |
Watt: W = J / s = V · A |
| elektrische Ladung |
Q = I · t |
Coulomb: C = A · s |
| elektrische Spannung |
U = R · I |
Volt: V = W / A = J / C = Ω · A |
| elektrische Kapazität |
C = Q / U |
Farad: F = A · s / V |
| elektrischer Widerstand |
R = U / I |
Ohm: Ω = V / A |
| elektrischer Leitwert |
G = 1 / R = I / U |
Siemens: S = 1 / Ω |
| magnetischer Fluss |
Φ |
Weber: Wb = V · s |
magnetische Flussdichte
Induktion |
B |
Tesla: T = Wb / m2 |
| Induktivität |
L; M |
Henry: H = Wb / A |
| Lichtstrom |
Φv |
Lumen: lm = cd · sr |
| Beleuchtungsstärke |
Ev |
Lux: lx = lm / m2 |
| Radioaktivität |
A; a |
Becquerel: Bq = 1 / s |
Dichte
(Massendichte) |
Rho: ρ = m / V |
kg / m3 |
Wichte
(spez. Gewicht) |
Gamma: γ = F / V |
N / m3 |
| Geschwindigkeit |
v = s / t |
m / s |
| Beschleunigung |
a = s / t2 |
m / s2 |
Einige Naturkonstanten
Gravitationskonstante
(für die Erde) |
g = 9,81 m/s2 |
Lichtgeschwindigkeit
(im Vakuum) |
c = 299.792.458 m / s ~ 3 · 108 m / s |
Generell sollte man in der Physik immer die korrekten Einheiten mitführen.
Wer das nicht will, sollte sich mit Mathematik beschäftigen ;)
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Nachfolgend werden einige häufig auftretende Themen erklärt und teilweise durch
"typische" Beispielaufgaben ergänzt.
Mechanik
Statik (Lehre vom Gleichgewicht)
Die Statik ist ein Teilgebiet der Mechanik, das sich mit dem Gleichgewicht von Kräften an Körpern befasst.
Die Gleichgewichtsbedingung der Statik besagt, dass ein ruhender (bzw. sich unbeschleunigt bewegender) Körper in Ruhe bleibt
(bzw. sich unbeschleunigt bewegt), wenn die Summen aller Kräfte und Momente, die auf diesen Körper wirken, Null ist.
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Kinematik (Bewegungslehre)
Die Kinematik ist die Lehre der Bewegung von Punkten und Körpern im Raum. Diese werden durch den Ort,
die Geschwindigkeit (incl. Richtung) und der Beschleunigung (ebenfalls incl. Richtung) beschrieben.
| Dabei gilt |
|
bei const. Geschwindigkeit |
bei const. Beschleunigung |
| Weg/Strecke |
s [ m ] |
s(t) = s0 + v · t |
s(t) = s0 + v0 · t + 1/2 · a · t2 |
| Geschwindigkeit |
v [ m/s ] |
const. |
v(t) = v0 + a · t |
| Beschleunigung |
a [ m/s2 ] |
0 |
const. |
Beispielaufgabe 1
Eine Rakete bewegt sich zum momentanen Zeitpunkt mit einer Geschwindigkeit von 800 m/s und einer konstanten
Beschleunigung von 40 m/s 2. Welchen Weg legt sie in den folgenden 3 Sekunden zurück und welche
Geschwindigkeit hat sie dann?
Lösung 1 (s.o. "bei const. Beschleunigung")
geg.: v 0 = 800 m/s ; a = 40 m/s 2 ; t = 3s.
ges.: s = ? ; v = ?
s = v0 · t + 1/2 · a · t2
s = 800m/s · 3s + 1/2 · 40m/s2 · (3s)2
s = 2580m
|
|
v = v0 + a · t
v = 800m/s + 40m/s2 · 3s
v = 920m/s
|
Die Rakete legt also in den folgenden 3 Sekunden s = 2580m
zurück und hat danach eine Geschwindigkeit von v = 920m/s.
Beispielaufgabe 2
Ein durchschnittlicher Sprinter läuft die 100m in 12s. Dabei beschleunigt er auf einer Strecke von 20m gleichmäßig,
um dann mit konstanter Geschwindigkeit ins Ziel zu sprinten. Berechnen Sie die Beschleunigung auf den ersten 20m und die
maximale Geschwindigkeit.
Lösung 2 (Kombination aus "bei const. Beschleunigung" und "bei const. Geschwindigkeit")
geg.: s = 100m ; s 1 = 20m ; s 2 = 80m ; t = 12s.
ges.: a = ? ; v = ?
| umstellen nach t1 und t2 |
max. Geschwindigkeit |
Beschleunigung auf den ersten 20m |
s1 = 1/2 · a · t12
v = a · t => a = v / t
s1 = 1/2 · v · t1
t1 = 2 · s1 / v
t2 = s2 / v
|
t = t1 + t2 = 12s
t = 2s1 / v + s2 / v
v = (2s1 + s2) / t
v = (40m + 80m) / 12s
v = 10 m/s
v = 36 km/h
|
v = a · t1 => a = v / t1
t1 = 2 · s1 / v = 40m / 10m/s = 4s
a = 10m/s / 4s
a = 2,5m/s2
|
Der Sprinter beschleunigt auf den ersten 20m gleichmäßig mit
a = 2,5m/s2
(für 4s) und hat danach seine Endgeschwindigkeit von
v = 10m/s = 36km/h
(die er noch 8s beibehält) erreicht.
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Dynamik (Kinetik)
Die Dynamik ist die Lehre der Bewegung von Körpern unter Einfluss von Kräften.
Der Grundsatz der Dynamik lautet
![Kraft F [N]](./bilder/formel_kraft.png "Kraft F [N]")
Die Kraft F eines Gegenstandes, ist also das Produkt aus seiner Masse m [kg] und der
Beschleunigung a [m/s2], die auf ihn wirkt.
Da jeder Gegenstand (auf der Erde) der Erdbeschleunigung von g = 9,81 m/s2 *) unterliegt,
ist die Gewichtskraft eines Gegenstandes also F = m · g.
Eine Masse von 1 kg hat also eine Gewichtskraft F = 1 kg · 9,81 m/s2 = 9,81 N.
...
*) Die Erdbeschleunigung hängt vom genauen Ort (und dabei hauptsächlich vom Breitengrad) ab und liegt etwa
bei 9,81 m/s2. Allerdings rechnet man oft mit der Näherung von 10 m/s2.
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Schwingungen & Wellen
Schwingungen & Wellen treten in vielen Varianten auf. Sie begegnen uns häufig bei Kreisfunktionen & Pendeln
aber ebenso in der Akustik, der Optik & weiteren Bereichen.
Eine periodische (gedämpfte) Schwingung ist dabei ein Durchlauf einer sich (gedämpft) wiederholenden Funktionsfolge.
Eine harmonische Schwingung kann durch eine Sinusfunktion beschrieben werden.
Die Schwingungs- oder Periodendauer T [ s ] gibt die Dauer einer Schwingung an.
Der Kehrwert davon ist die Frequenz f = 1/T [ Hz = s-1 = 1/s ].
Die Amplitude y oder ymax ist der maximale Ausschlag der Schwingung.
Der Ausschlag zum Zeitpunkt t wird mit y(t) angegeben.
...
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