PitMox

...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 beschreibt und erklärt (iagK) einige grundlegene Dinge der Physik. Aber zuerst ein paar "Basics"...

In der Physik sollte man immer mit den zugehörigen Einheiten rechnen. Nachfolgend sind einige gebräuchliche Maße und Einheiten aufgelistet (zuerst die sieben sog. Basiseinheiten).

Formelzeichen

Einheit

Länge/Strecke

Meter: m

Masse

Gramm: g
Tonne: t (1t = 1.000 kg)

Zeit

Sekunde: s
Stunde: h (1h = 3.600 s)

Stromstärke
magn. Durchflutung

Ampere: A = C / s = W / V

Temperatur

T
t

Kelvin: K
Grad Celsius: °C

Stoffmenge

Mol: mol

Lichtstärke

I_v

Candela: cd

Formelzeichen

Einheit

Ebener Winkel

Radiant: rad

Raumwinkel

Steradiant: sr

Fläche

m²

Volumen

m³
Liter: l (1l = 1dm³)

Frequenz
(Schwingungen/Sekunde)

f; v

Hertz: Hz = 1 / s

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

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

Weber: Wb = V · s

magnetische Flussdichte
Induktion

Tesla: T = Wb / m²

Induktivität

L; M

Henry: H = Wb / A

Lichtstrom

Φ_v

Lumen: lm = cd · sr

Beleuchtungsstärke

E_v

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

Generell sollte man in der Physik immer die korrekten Einheiten mitführen. Wer das nicht will, sollte sich mit Mathematik beschäftigen ;)

Nachfolgend werden einige häufig auftretende Themen erklärt und teilweise durch "typische" Beispielaufgaben ergänzt.

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.

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 ]

const.

Eine Rakete bewegt sich zum momentanen Zeitpunkt mit einer Geschwindigkeit von 800 m/s und einer konstanten Beschleunigung von 40 m/s². Welchen Weg legt sie in den folgenden 3 Sekunden zurück und welche Geschwindigkeit hat sie dann?

Lösung 1 (s.o. "bei const. Beschleunigung")
geg.: v₀ = 800 m/s ; a = 40 m/s² ; 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.

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 ; s₁ = 20m ; s₂ = 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.

Die Dynamik ist die Lehre der Bewegung von Körpern unter Einfluss von Kräften.

Der Grundsatz der Dynamik lautet
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.

Physik

Maße und Einheiten

Die sieben Basiseinheiten

Weitere Einheiten

Formeln, Verhältnisse und abgeleitete Einheiten

Einige Naturkonstanten

Mechanik

Statik (Lehre vom Gleichgewicht)

Kinematik (Bewegungslehre)

Dynamik (Kinetik)

Schwingungen & Wellen

Akustik

Optik

Elektrodynamik (Elektrizitätslehre)

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Thermodynamik (Wärmelehre)