Grundwissen Physik – Jahrgangsstufe 9

Grundwissen Physik – Jahrgangsstufe 9
In der Jahrgangsstufe 9 erwerben die Schüler folgendes Grundwissen: (aus dem Lehrplan zitiert)
„Sie verstehen technische Anwendungen, die auf der Lorentzkraft bzw. auf der Induktion basieren.“
Grundlagen
Felder und Feldlinien:
Feldlinien sind eine Modellvorstellung, um
Felder zu veranschaulichen und eine
Kraftwirkung auf einen Probekörper mit einer
bestimmten Eigenschaft zu beschreiben.
Magnetfelder:
… um stromdurchflossene Leiter oder
Dauermagnete bewirken, dass andere
Magente oder Körper aus Eisen (Nickel,
Cobalt) in ihrer Umgebung eine magnetische
Kraft erfahren.
Elektrisches Feld:
Die Feldlinien gehen von positiven Ladungen
aus und enden auf negativen Ladungen. Die
elektrische Kraft wirkt auf positive [negative]
Ladungen entlang [entgegengesetzt] der
Feldlinien.
Lorentzkraft:
Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte, geladene
Teilchen im Magnetfeld. Negativ geladene
Teilchen, die sich senkrecht zu den
Magnetfeldlinien bewegen, werden gemäß
der „Linke-Hand-Regel“ abgelenkt.
Induktion:
An einer Leiterschleife oder Spule tritt eine
Induktionsspannung auf, wenn sich die Anzahl
der Magnetfeldlinien, die ihren Querschnitt
durchsetzen, ändert.
Lenz’sche Regel:
Ein Induktionsstrom ist immer so gerichtet,
dass er der Induktionsursache entgegenwirkt.
Anwendungen und Beispiele
Das Modell der Feldlinien hilft, die
Stärke und Richtung der Kraft auf
den Probekörper vorherzusagen. Die
Kraft wirkt entlang der Feldlinien
und ist umso stärker, je dichter die
Feldlinien sind. Feldlinien schneiden
sich nie.
M.-feld um Draht (Linke-Faust-Regel)
Feld um Punktladungen
Leiterschaukel:
Kraft auf bewegte
Elektronen im
Draht bewirkt Kraft
F
auf Drahtstück
Probekörper
Kraft
M.-feld eines Stabmagneten
Feld zwischen Ladungen
Elektromotor:
Stromführende
Spule wird durch
magnetische Kräfte
gedreht
Generator: „umgedrehter Elektromotor“, Leiterschleife (Spule)
wird gedreht, die Zahl der durchsetzenden Feldlinien ändert sich,
die Induktionsspannung wird an den Enden der Spule abgegriffen
Transformator: Durch das wechselnde Magnetfeld der
Primärspule wird die Feldlinienzahl in der Sekundärspule
geändert. Die resultierende Induktionsspannung ist umso größer,
je größer die Windungszahl der Sekundärspule ist.
Wirbelstrombremse:
Die induzierten Kreisströme sind so gerichtet, dass ihr
Magnetfeld das äußere Magnetfeld abstößt entgegengesetzte
Kraft Abbremsung.
„Sie kennen Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie und können sie zur Erklärung von Naturphänomenen
heranziehen.“
Grundlagen
Aufbau der Atome:
Ein Atom besteht aus einer äußeren, fast
leeren Hülle, in der sich die Hüllenelektronen
aufhalten, und einem Kern aus positiv
geladenen Protonen (+e) und neutralen
Neutronen. Beim neutralen Atom ist die Zahl
der Protonen gleich der Zahl der
Hüllenelektronen.
Anwendungen und Beispiele
Bsp.: Schreibweise:
Massenzahl: Anzahl
Protonen & Neutronen
Ordnungszahl: Anzahl
der Protonen
Element:
Bsp.: Sauerstoff
Neutronenzahl:
16 – 8 = 8 Neutronen
Neutrales Sauerstoffatom: 8 Hüllenelektronen
Sauerstoffisotop:
mit 18 – 8 = 10 Neutronen
Größenverhältnisse im Atom:
Der Atomradius beträgt ca. rAtom ≈ 10-10m, der
Atomkernradius ist nur ein Zehntausendstel
davon: rKern ≈ 10-14m.
Kernumwandlungen:
Kerne können durch natürlichen zufälligen
Zerfall, durch Beschuss mit Neutronen und
anschließender Kernspaltung oder durch
Verschmelzung (Fusion) in andere Nuklide
umgewandelt werden.
Rutherford-Streuung:
Wird dünne Goldfolie mit α-Teilchen beschossen, werden nur ca.
2% der Teilchen abgelenkt. Daraus schloss Rutherford, dass das
Atom im Wesentlichen leer ist und der Atomkern viel kleiner ist
als das gesamte Atom, bzw. die Atomhülle.
Bsp.: Natürlicher α-Zerfall
→
235
U 10n →
Xe 90Sr 3 10n
Kernspaltung
3
2
Kernfusion
10
1 →
„Sie können das Prinzip der Energieerhaltung in der Atom- und Kernphysik anwenden.“
Grundlagen
Spektren leuchtender Körper:
Leuchtende Körper haben entweder ein
Linienspektrum, bei dem nur Licht bestimmter
Wellenlängen vorkommt, oder ein
kontinuierliches Spektrum.
Aufnahme und Abgabe von Energie:
Elektronen der Atomhülle können nur
bestimme Energieniveaus annehmen. Beim
Übergang zwischen diesen Niveaus geben sie
Photonen mit diskreter Energie auf oder
geben sie ab.
Energiebilanz bei Kernumwandlungen:
Bei Kernumwandlungen wird Energie in Form
von kinetischer Energie der Edukte (und
manchmal hochenergetischer Photonen) frei.
Massendefekt:
Die Energiefreisetzung ist mit einer
Massenabnahme verbunden. Masse und
Energie sind als äquivalent anzusehen:
E = Δmc²
Anwendungen und Beispiele
Bsp.:
Körper mit Linienspektrum: LED, Leuchtstoffröhre, NaDampflampe
Körper mit kontinuierlichem Spektrum: Sonne, Glühbirne, Feuer
Bsp.:
Em
Em
En
EPhoton = ΔE = Em - En
En
Emission eines Photons
Absorption
Bsp.: Kernspaltung von U-235: 235U 10n → Xe 90Sr 310n
Spaltenergie: ΔE = Enach – Evor = -Δm ·c² = (mvor - mnach)·c²
ΔE = ((mU235 + mn) – (mXe143 + mSr90 + 3* mn))·c² =
((235,04392u + 1,008665u) – (142,93511u + 89,90774u +
+ 3 · 1,008665u)) · c² = 2,74217·10-11J = 171,2 MeV
Diese Energie liegt als Bewegungsenergie der
Spaltprodukte, der Neutronen und evtl. als
Photonenenergie der γ-Strahlung vor.
„Sie kennen die Strahlenarten radioaktiver Stoffe, eine Nachweismethode und ihre jeweilige Wirkung auf
Lebewesen.“
Grundlagen
Anwendungen und Beispiele
Strahlungsarten:
α-Strahlung besteht aus He-Kernen, entsteht bei Kernzerfällen und lässt sich durch eine Papierschicht abschirmen.
Die hochenergetischen Elektronen der β-Strahlung entstehen durch Neutronenzerfall im Kern und lassen sich
durch ein mehrere mm dickes Aluminiumblech abschirmen. Mit einer dicken Bleiplatte kann man die Photonen
der γ-Strahlung ausreichend schwächen.
Nachweis radioaktiver Strahlung:
Die ionisierende Wirkung der Strahlung lässt sich indirekt über eine erhöhte Leitfähigkeit der Luft
und somit der Entladung eines Elektroskops nachweisen.
Biologische Strahlenwirkung:
Wegen ihrer ionisierenden Wirkung kommt es
zu Veränderungen und Schäden in
Körperzellen. Können diese nicht repariert
werden, können Krebserkrankungen oder
Erbschäden auftreten.
Bsp.: Messbarkeit der schädigenden Wirkung
$
Äquivalentdosis H (Einheit: 1!" # 1 %&)
Bsp.: Schutz vor Strahlung
Abstand halten, Aufenthaltsdauer minimieren, Abschirmung
„Sie kennen die Grundlagen der Kern- bzw. Energietechnologie und können sich bei der Diskussion darüber ihrem
Alter entsprechend kompetent beteiligen.“
Grundlagen
Anwendungen und Beispiele
216
Halbwertszeit:
Bsp.: α-Zerfall von Radon-220 (220'( → )* 42 )
Für ein einzelnes Atom lässt sich nicht
Halbwertszeit: tH = 55,6s
vorhersagen, wann es zerfällt. Für sehr viele
Start: N0 = 1.000.000
Atome kann man eine Zeitspanne abgeben,
nach 55,6s: N(tH) ≈ ½ · 1.000.000 = 500.000
nach der die Hälfte der Atome zerfallen ist.
Kernreaktor:
In einer Kettenreaktion werden bei Kernspaltungen von spaltbarem Material (z.B. U-235) Neutronen freigesetzt,
die im Moderator verlangsamt werden und dann weitere Kerne spalten können.
„Sie können Bewegungsabläufe (auch aus dem eigenen Erfahrungsbereich) anhand von Bewegungsdiagrammen
analysieren und in einfachen Fällen durch mathematische Funktionen beschreiben.“
Grundlagen
Anwendungen und Beispiele
Bewegungsabläufe in Diagrammen:
x
v ①
in
②
⑤
in ⑥
②
Der Verlauf von Graphen eines Zeit-Ort.
m
④
Diagramms (t-x-Diagramm) oder Zeit⑤
④
Geschwindigkeit-Diagramms (t-v-Diagramm)
③
①
t in s
t in s
gibt Aufschluss über die geradlinige Bewegung
③
eines Körpers.
①
Zeit und Ort:
Zeit und Geschwindigkeit:
①: Gegenstand bewegt sich nicht
②: G. bewegt sich mit konstanter
Geschwindigkeit
③: wie ②, nur rückwärts
④: G. wird beschleunigt
⑤: G. wird abgebremst und dann
rückwärts beschleunigt
Bewegungen aus Diagrammen ablesen:
Aus einem t-x-Diagramm lassen sich Ort und
Geschwindigkeit einfach ablesen, aus einem
t-v-Diagramm Geschwindigkeit und
Beschleunigung.
x
in
m
v in
①
③
①: G. bewegt sich nicht (v = 0)
②: G. bewegt sich mit konstanter
Geschwindigkeit
③: wie ②, nur rückwärts
④: G. wird mit konstanter
Beschleunigung schneller
⑤: G. wird mit konstanter Beschl.
abgebremst (bis rückwärts)
⑥: Gegenstand wird schneller,
Beschleunigung nimmt ab
.
Δx
②
④
Δv
Δt
②
Zeit und Ort:
①: Ort ablesen: / # 2,51
②: Ort ablesen: / # 211
③: Gerade konst. Geschw.
"#
∆4
∆5
#
, , .
#1
.
①
Δt
③
t in s
Zeit und Geschwindigkeit:
①: Geschw. ablesen: " # 0
②: Geschw. ablesen: " # 2
.
.
③: Geschw. ablesen: " # 21
④: Gerade
(#
.
konst. Beschleunigung
∆6
∆5
#
7
8
.
#3
.²
„Sie haben ein vertieftes Verständnis für den Zusammenhang von Kraft, Masse und Beschleunigung.“
Grundlagen
Bewegungsfunktionen:
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit
und
":;< # "
/:;< # " ∙ ;
Bewegung mit konstanter Beschleunigung
(ohne Anfangsgeschwindigkeit)
/:;< # ( ∙ ;²
und
":;< # ( ∙ ;
Gewichtskraft und freier Fall:
Im freien Fall wirkt als beschleunigende Kraft
nur die Gewichtskraft FG # 1 ∙ H, die
Bewegung erfolgt nach unten:
/:;< # 2 H ∙ ;
und
":;< # 2H ∙ ;
Kräftezerlegung:
Kräfte lassen sich durch Kraftpfeile darstellen
und zerlegen. Bei der schiefen Ebene zerlegt
man in einen Anteil parallel zur Ebene und
einen senkrecht dazu.
Anwendungen und Beispiele
%-
Bsp.: Ein LKW fährt mit 72
auf der Landstraße. Wie weit
?
kommt er in drei Minuten?
B /:[email protected] < # " ∙ ; #
∙ 3 ∙ 60C # 36001 # 3,6D1
,
.
Bsp.: Ein Sprinter beschleunigt konstant auf den ersten 20m in 3s.
Berechne seine Beschleunigung und Geschwindigkeit nach 20m.
4
∙ /:3C< # ( ∙ ;²
( # 5² # : .<² # 4,4 .²
-
" # ( ∙ ; # 4,4 .E ∙ 3C # 13,3
Bsp.: Wie lange dauert es, bis ein
Fallschirmspringer 100m unter dem
Flugzeug ist?
Geg.: # 21001
Ges.: ;
; # I2
2001
2
#I
1 # 4,5C
H
9,81
C²
Bsp.: Schiefe Ebene
Gewichtskraft auf Block: KL # 1 ∙ H
Normalkraft: KM # KL ∙ N*CO
Hangabtriebskraft: KP # KL ∙ CA O
.
h in m
t in s