Basics, Mechanik und Erhaltungsgrößen |
Der Energieerhaltungssatz ist wohl einer der zentralsten Aussagen der Physik.
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann aber in verschiedene Formen umgewandelt werden.
Es gibt viele Beispiele dafür: Reiben der Hände –> Wärme. Pendel/Schaukel: Potenzielle Energie <–> Kinetische Energie.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Energieerhaltungssatz
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
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Wenn Energie von einem System mit mehr Innerer Energie in ein System mit weniger Innerer Energie fließt, sprechen wir von “Wärme”, die übertragen wird. Wärme ist also eine Prozessgröße, es ist ein Vorgang, ein Fließen damit verbunden. Die Natur bietet drei Möglichkeiten an, wie das passieren kann:
- Wärmeleitung: Die beteiligten Systeme stehen in direktem Kontakt.
- Wärmestrahlung: Das Ganze passier mit elektromagnetischer Strahlung (Licht)
- Wärmetransport: Es werd Materie selbst übertragen – Konvektion.
Für alle drei Arten gibt es Heizungen, bzw. Wärmequellen, die wir aus dem Alltag kennen.
Link: https://www.acin.tuwien.ac.at/fileadmin/cds/lehre/mblg/Modellbildung_Kapitel_3.pdf
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Die Hauptsätze der Wärmelehre sind neben dem Energieerhaltungssatz wichtige zentrale Aussagen der Physik.
- Wärme fließt von selbst nur von einem System mit viel zu einem System mit wenig Innerer Energie.
- Die Innere Energie eines Körpers kann durch Zufuhr von Wärme oder/und durch Zufuhr von Arbeit erhöht werden.
- Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden.
Link: https://www.phyx.at/hswaermelehre/
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Gleichgewichte spielen eine große Rolle in der Natur. Es gibt statische Gleichgewichte: du bilanzierst einen Besen auf deinem Finger. Er bleibt im (instabilen) Gleichgewicht. Auch wenn eine Zitrone in einer Schüssel liegt, bleibt sie ruhig, im Gleichgewicht, her aber im “stabilen” Gleichgewicht. Und es gibt dynamische Gleichgewichte: es kommen genau so viele Leute bei der Tür herein, wie bei der anderen Tür wieder hinausgehen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichgewicht
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Normalerweise befinden sich schwere Dinge am Boden. Flugzeuge am Flughafen stehen am Gate. Oder sie sinken nach unten, wenn sie im Wasser sind. Steine zum Beispiel. Aber Schiffe schwimmen. Heißluftballons schweben. Flugzeuge fliegen. Irgend etwas macht sie leichter. Und dieses Etwas wird “Auftrieb” genannt.
Zwei Arten von Auftrieb können wir leicht unterscheiden:
- Statischer Auftrieb – ohne Bewegung. Das Schiff schwimmt mit statischem Auftrieb. Der Heißluftballon schwebt.
- Dynamischer Auftrieb – mit Bewegung. Das Flugzeug fliegt mit dynamischem Auftrieb. Das U-Boot fährt wieder zur Wasseroberfläche.
Links:
https://www.phyx.at/warum-schwimmt-ein-schiff/
https://de.wikipedia.org/wiki/Statischer_Auftrieb und https://de.wikipedia.org/wiki/Dynamischer_Auftrieb
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“Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren”.
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine schwere Kiste in den 3. Stock zu schleppen. Sie ziehen die Kiste mit einem Seil von der Straße zum Fenster rauf, das ist der direkte Weg, der kürzeste. Er braucht aber die meiste Kraft. Oder sie gehen über schräge Stiegen damit. Da brauchen Sie weniger Kraft, Sie müssen aber einen größeren Weg zurücklegen.
Das ist die goldene Regel der Mechanik.
Man kann auch einfache Erfindungen bauen. Den Nagel zum Beispiel. Auf direktem Weg wird er mit dem Hammer (viel Kraft) in die Wand geknallt. Oder Sie wickeln eine schiefe Ebene (viel Weg) auf den Nagel auf. Ein Schrauben. Den drehen Sie in aller Ruhe (wenig Kraft), aber doch recht lange in die Wand. Es gibt noch viele weitere schöne Beispiele, die Sie am besten selbst herausfinden. Stichwort: Flaschenzug.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Goldene_Regel_der_Mechanik
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Wenn du einen Sack Reis die Treppen hochschleppst, brauchst du Kraft. Du “arbeitest” gegen die Schwerkraft. Je weiter dieser Weg nach oben ist, desto mehr arbeitest du. Das Produkt aus Kraft mal dem Weg gegen die Schwerkraft (auch gegen eine andere Kraft) wird Arbeit genannt. Sie steckt dann im Sack Reis drin – als “Energie”, als gespeicherte Arbeit. Diese Energie wird “potenzielle Energie” genannt. Je schneller du diese Arbeit machst, desto mehr Leistung bringst du mit. Leistung ist Energie (Arbeit) pro Zeit. Damit kann man schon ziemlich gut alles alltägliche beschreiben. Ach ja, es gibt etwas Ähnliches mit der Geschwindigkeit. Damit du schneller wirst, brauchst du auch Kraft. Es gibt demzufolge noch eine zweite Energieart, die kinetische Energie, die du dann hast.
Noch ein Hinweis zum Foto: Genau genommen sollte “Die Energie im Tank” am Tankwagen stehen. Den Ausdruck Kraft würden Physiker:innen hier eher nicht verwenden.
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Arbeit_(Physik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Energie#Energie_in_der_klassischen_Mechanik
https://de.wikipedia.org/wiki/Leistung_(Physik)
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Der Stillstand ist einfach. Ein Objekt bewegt sich nicht. Seine Geschwindigkeit ist Null. Wichtig ist dabei, dass diese Ruhe nur im Vergleich zu etwas anderem festgestellt werden kann. Im Vergleich zum Bahnsteig bewegt sich jemand nicht, wenn er still steht.
Aber der Zug … der bewegt sich im Vergleich zum Bahnsteig. Seine Geschwindigkeit ist groß. Wichtig ist dabei, dass diese Bewegung nur im Vergleich zu etwas anderem festgestellt werden kann. Im Vergleich zum Bahnsteig bewegt er sich.
Geschwindigkeit ist Wegänderung / Zeitänderung. Zwei Stunden brauchst du nach St. Pölten, das 70 km entfernt ist? Die Geschwindigkeit ist 70 km / 2 h, also 35 km/h. Üblicherweise wird in der Physik mit Metern und Sekunden als Grundeinheit gerechnet, die Geschwindigkeit gibt man in der Physik daher in der Einheit Meter / Sekunde an (m/s). Man kann aber diese Einheiten leicht umrechnen (nachdenken reicht dazu, man braucht keine extra Formel für diese Umrechnung).
Der Bahnsteig, das ist das so genannte Bezugssystem. Wichtig ist dabei, dass dieses Bezugssystem selbst ruhig sein muss, oder zumindest in gleichförmiger Bewegung. Man kann also sehr wohl Ruhe und Geschwindigkeiten auch im Bezug zum Fußboden im fahrenden Zug angeben. Dann ist halt der gleichförmig fahrende Zug das Bezugssystem. (Es heißt “Intertialsystem”).
Richtig arg wird es, wenn das Bezugssystem beschleunigt wird. Wenn es seine Geschwindigkeit ändert. Das passiert sogar, wenn es in die Kurve fährt. Da ändert sich die Geschwindigkeit der Richtung nach. Es ist dann kein Inertialsystem mehr und es treten so genannte “Scheinkräfte” auf. Ein Beispiel: Das Auto fährt in die Kurve und du wirst an die Wand des Autos gedrückt. Diese Scheinkraft nennt man “Fliehkraft”, du merkst sie, weil dein Körper eigentlich geradeausweiter muss, während das Auto in die Kurve fährt.
Jetzt halten wir nur noch kurz fest: Wenn sich Geschwindigkeiten ändern, sprechen wir von Beschleunigung. Beschleunigungen brauchen immer eine Ursache – und das ist die Kraft. So ist die Kraft auch definiert. Kraft ist Masse • Beschleunigung. Dieses Gesetz heißt “2. Newtonsches Axiom”, und wenn du fragst, was ist mit dem “1. Newtonschen Axiom”, das verstehst du leicht: wenn es keine Kraft gibt, dann ändert sich die Geschwindigkeit nicht.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Geschwindigkeit
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Wir erkennen vier bis fünf Grundkräfte des Universums. Sie haben sich seit dem Urknall herausgebildet.
- Gravitation. Sie wirkt zwischen Massen.
- Elektrische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft “elektrische Ladung”.
- Magnetische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft “magnetisch”.
- Starke Wechselwirkung. Sie hält in Protonen und Neutronen die Quarks zusammen, aus denen sie bestehen.
- Schwache Wechselwirkung. Sie spielt eine Rolle bei einer Art des radioaktiven Zerfalls. Zusammenhang mit Neutrinos.
Die 2. und 3. Kraft wird oft als “elektromagnetische Kraft” zusammengefasst. Dann wären es insgesamt vier Grundkräfte, von denen man spricht.
Kräfte werden auch als Wechselwirkungen bezeichnet. Dieses Thema wird also auch als “fundamentale Wechselwirkungen” beschrieben. Übrigens: Kräfte sind Erscheinungen, die die Geschwindigkeiten von Körpern verändern können.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Fundamentale_Wechselwirkung
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Isaac Newton hat drei Aussagen über Kräfte gemacht, die als Newton’sche Axiome bezeichnet werden. Kräfte sind übrigens jene “Erscheinungen”, die Geschwindigkeiten verändern können. Die also Beschleunigungen hervorrufen können.
- Wenn es keine Kraft gibt, bleibt ein Körper ruhig oder in gleichförmiger Bewegung.
- Wenn es eine Kraft gibt, wird ein Körper beschleunigt. Je nachdem, welche Masse er hat, unterschiedlich stark.
- Wenn dich wer schlägt, schmerzt es die schlagende Person genau so. Kraft ist gleich Gegenkraft.
Klar ist das physikalisch ein wenig anders formuliert, als “Formel”. Die schlägst du am besten nach.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze
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Sie begegnen einer Masse im Supermarkt. Und sagen “Hallo”. Wie erkennen Sie, dass eine Masse vor Ihnen steht? Anders gefragt? Was sind die Eigenschaften einer Masse? Wenn Licht vor Ihnen steht, ist das keine Masse. Mhm. Andere Eigenschaften. Nochmals: was sind die Eigenschaften einer Masse?
- Eine Masse ist träge. Wenn Sie anstoßen, bleibt sie erst mal stehen und sie tun sich weh an ihr. Erst mit etwas Verzögerung weicht sie zurück, wenn hinter ihr Platz ist. Anderes Experiment: Sie werfen eine Orange in die Luft und zerschlagen/zerschneiden sie mit einem Messer in der Luft. Achtung, aufpassen. Aber in der Zeit, wo das Messer durch die Orange zischt, bleibt sie mal an der Stelle in der Luft. Sie ist träge. Erst dann fällt sie auseinander.
- Eine Masse ist schwer. Wenn Sie sie auf die Waage legen, zeigt diese etwas an. Und zwar, wie schwer sie genau ist. Massen reagieren also auf Schwerkraft. Die Waage funktioniert ja genau deswegen, sie zeigt an, wie sehr die Masse von der Erde angezogen wird – wie schwer sie ist.
Es war gar nicht so leicht, zu zeigen, dass die “träge Masse” gleich der “schweren Masse” ist, dass also für ein Objekt die beiden Massewerte (in kg) übereinstimmen müssen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_(Physik)
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Basics, Physiknobelpreise |
Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit – in “Zeit und Raum”. Man kann sich das vorstellen, wie bei elektromagnetischen Wellen (Licht, Radio, Gammstrahlen etc.): Wenn ein Elektron beschleunigt wird, strahlt es elektromagnetische Wellen ab. In einer Antenne passiert das. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Es müssen große Massen sein, die beschleunigt werden, damit Gravitationswellen messbar werden, zum Beispiel, wenn Schwarze Löcher kollidieren (zusammenstoßen). Es geht bei diesem Thema auch um die Frage, ob die Gravitation im ganzen Universum “sofort” spürbar ist, oder ob sie sich ausbreitet, so wie das Licht. Letzteres ist der Fall.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle
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Neutrinos sind Elementarteilchen, elektrisch neutral, mit sehr geringer Masse. Sie entstehen bei Umwandlungen von Elementarteilchen, zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall (beim Beta-Zerfall). Diese Teilchen sind wichtig, weil die Gesamtbilanz von Erhaltungsgrößen nicht stimmen würde. Man kann sich das so vorstellen wie bei einer Schachtel Süßigkeiten. Wenn immer die Gummibärlis fehlen, sie aber niemand im Raum gegessen hat, muss es “etwas” geben, das sie gegessen hat. Auch wenn man dieses “Etwas” nicht wahrnimmt. Bei den Neutrinos ist es ähnlich, die Wahrnehmung wäre durch die “schwache Wechselwirkung” möglich. Große Detektoranlagen können Neutrinos wahrnehmen/messen. Es gibt verschiedene Arten von Neutrinos – und Neutrinos können ihre Art wechseln, das wird “Neutrinooszillation” genannt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutrino
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Basics, Kern und Elementarteilchenphysik, Physik des 21. Jahrhunderts, Physiknobelpreise |
Das Higgs-Teilchen ist ein Elementarteilchen, nach dem lange gesucht wurde. Bei Experimenten in einem Elementarteilchenbeschleuniger (CERN) wurde es gefunden. Man sagt: Higgs-Teilchen sind Elementarteilchen, die der Materie Masse verleihen. Das ist eine recht schnelle Formulierung. Warum war es schwierig, das Higgs-Teilchen zu finden? Es sind bei den Experimenten hohe Energien nötig, das Higgs-Teilchen zerfällt rasch, und man kann es nicht einfach so “sehen”, man kann es finden, indem man Daten statistisch analysiert.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Higgs-Boson
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Basics, Physiknobelpreise |
Das Universum ist im Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Seither dehnt es sich aus. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung nimmt aber zu. Man spricht von der “beschleunigten Expansion des Universums”. Das Ganze muss man natürlich erklären. Dazu wurde das Konzept “Dunkle Energie” eingeführt. Wenn es diese “dunkle Energie” gibt, dann stimmt die Beobachtung mit der Theorie überein. Dafür gab es 2011 den Physik-Nobelpreis für die Astrophysiker Perlmutter, Schmidt und Riess.
Hier stehen die Details sehr schön beschrieben: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/news/2011/nobelpreis-fuer-physik-2011-geht-an-perlmutter-schmidt-und-riess/
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