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Physik lernen Status In progress Date @November 3, 2024 → November 6, 2024 Description Physiktest Priority Level Important Stoff: Ich kenne die Aussage des klassis...

Physik lernen Status In progress Date @November 3, 2024 → November 6, 2024 Description Physiktest Priority Level Important Stoff: Ich kenne die Aussage des klassischen Relativitätsprinzips. Man kann zwischen einem beschleunigtem System und einem unbeschleunigten System nicht unterscheiden Ich kann das klassische Relativitätsprinzip anhand von mechanischen Gedankenexperimenten in einem Zug erläutern und plausibel machen. Ball im Zug: Man stelle sich vor, dass eine Person in einem Zugabteil ohne Fenster sitzt. Es wird ein Ball nach geworfen. Er bewegt sich in die geworfenen Richtung. Der Versuchsausgang ist bei einem ruhenden und einem beschleunigten Zug gleich ⇒ Man kann durch Mechanik nicht zwischen einem beschleunigten und einem unbeschleunigten System unterscheiden. Pendel im Zug: Das Pendel ruht in einem Beschleunigten sowie Unbeschleunigten System ⇒ Keine Unterscheidung möglich Ich kenne den Begriff des Äthers und weiß welche Rolle er in der Physik vor 1905 gespielt hat. Man dachte Alle Wellen brauchen ein Medium Schall breitet sich in Materie aus Wasserwellen in Wasser Physik lernen 1  Das Ausbreitungsmedium von Licht wurde Äther genannt Ich kenne das Michelson-Morley-Experiment und kenne seinen Ausgang. Das Experiment sollte den Beweis zeigen, dass der Äther existiert. Ausgang: Es gibt keinen Ätherwind ⇒ Kein Äther ⇒ Licht braucht kein Medium Ich kann den Versuchsaufbau des Michelson-Morley-Experiments skizzieren. Michelson-Morley Experiment Physik lernen 2  Ich kann erklären, wie man den Äther mit Hilfe des Michelson-Morley- Experiments messen wollte. Insbesondere weiß ich, was man hätte messen sollen. Man ging davon aus das der Äther wind die Wellen des Lichtes beeinflusst. Versuch: Licht wird durch einen Halb Spiegel aufgeteilt ⇒ Die nun zwei Strahlen werden reflektiert und durch den Halbspiegel zu einem Detektor geleitet Was man messen wollte: Gäbe es den Ätherwind würde sich das Muster auf dem Detektor ändern, wenn das Experiment gedreht wird, da das Licht gegen den Wind langsamer wäre Ich kann Beispiele von Wellen und ihren dazu passenden Medien nennen. Ich weiß insbesondere, dass nach moderner Auffassung Licht kein Medium benötigt. Schall: Materie (z.B. Wasser Luft) Wasserwellen: Wasser Ich kenne die beiden Postulate von Einstein, auf denen die spezielle Relativitätstheorie beruht. 1. Erstes Postulat: Die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen gleich 2. Zweites Postulat: Das Tempo von Licht ist eine Naturkonstante und unabhängig von der Bewegung des Lichtsenders Ich kann erklären, was mit dem Satz “Ein Blick in den Himmel ist immer auch ein Blick in die Vergangenheit” gemeint ist. Physik lernen 3  Licht hat eine endliche Geschwindigkeit ⇒ Licht braucht zeit um vom Sender zum Empfänger (Unser Auge) zu kommen. D.h. Wenn wir in den Nachthimmel schauen sehen wir das Licht was vor einigen Minuten (z.B. Sonne 8 min) oder sogar Lichtjahren entsannt wurde. Ich kenne den Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. 3*10^8 m/s Ich kann anhand eines einfachen Gedankenexperiments erklären, warum Gleichzeitigkeit relativ ist. Was sehen Aliens wenn sie auf die Kundmanngasse schauen? Sehen sie unsere Schule oder Vergangenes? ⇒ Wir sehen die Schule aber Aliens sehen noch Dinos weil das Licht lange zu Ihnen braucht ⇒ Gleichzeitigkeit ist relativ Drei Weltraumgleiter ihre Uhren mithilfe von Licht synchronisieren. Der mittlere sendet ein Lichtsignal aus. Wenn sich die Gleiter nun nach rechts bewegen erreicht das Licht den linken zuerst ⇒ Die Uhren sind nicht gleich Aus Sicht der Piloten gehen die Uhren gleich. Aus der eines Außenstehenden geht die des linken vor. Es sind beide Antworten korrekt! ⇒ Relativität der Gleichzeitigkeit Ich kann die Formel der Zeitdilatation mit Hilfe einer Lichtuhr herleiten. Physik lernen 4  (c ∗ tR )2 = (c ∗ tB )2 + (v ∗ tR ) ​ ​ ​ (c ∗ tR )2 − (v ∗ tR )2 = (c ∗ tB ) ​ ​ ​ t2R ∗ (c − v)2 = (c ∗ tB )2 ​ ​ (c ∗ tB )2 c2 − t2B 1 t2R = 2 = = = ∗ ​ ​ t R t B c − v2 2 c2 (1 − vc2 1−( v 2 ) ​ ​ ​ ​ ​ ​ c ​ ​ ​ Ich weiß, was man unter Zeitdilatation versteht. ⌛ Für eine Beobachtbare Person gilt, dass eine für sie bewegte Uhr langsamer tickt, als eine für sie ruhende Uhr. Die Zeit zwischen den “Ticks” wird dabei durch den Lorenzfaktor ( γ) gedehnt. Ich weiß, was man unter dem Lorentz-Faktor versteht. Physik lernen 5  Der Lorentz-Faktor beschreibt die Zeitdehnung (Zeitdilatation) und Längenkontraktion zwischen zwei Systemen in einem Inertialsystem, die sich relativ zueinander bewegen. Ich kann den Lorentz-Faktor für Bewegungen des Alltags abschätzen. Geschwindigkeit Objekt γ 36,1 m/s Auto 1+10^-14 250m/s Flugzeug 1+3,5*10^-13 0,995c Myonen in der Atmosphäre ca. 10 Ich kann argumentieren, warum für unsere meisten alltäglichen Bewegungen die Konzepte der Relativität kaum eine Rolle spielen. Da der Lorenzfaktor bei geringen Geschwindigkeiten wie z.B. beim Auto oder Flugzeug annähernd 1 sind spielt die Zeitdilatation keine Rolle. Ich kenne zumindest ein bereits durchgeführtes Experiment, dessen Messergebnisse man mit Hilfe der Zeitdilatation erklären kann. Hafele-Keuting-Experiment 1️⃣ Ein Flugzeug Eine Uhr bleibt am Boden; eine andere ist in einem Flugzeug (beide Synchronisiert) ⇒Zeit im Flieger vergeht langsamer Physik lernen 6  2️⃣ Zwei Flugzeuge Eine Uhr bleibt am Boden; zwei in den beiden Flugzeugen Flieger 1: gegen die Erdrotation Flieger 2: in Erdrotation ⇒Zeit im Flieger vergeht langsamer und gegen die Erdrotation vergeht die Zeit langsamer Ich weiß, was man unter Längenkontraktion versteht. Längenkontraktion beschreibt die Verkürzung eines Objekts in Bewegungsrichtung, wenn es sich relativ zu einem Beobachter mit hoher Geschwindigkeit bewegt. 🧮 Längenkontraktion: tS > tP ​ ​ tS = γ ∗ tp ​ ​ LP L 1 v= = S => Lp = ∗ LS ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ tP​ tS γ ​ Ich kann qualitativ erklären, warum bei einer GPS-Positionsbestimmung die Berücksichtigung der Zeitdilatation eine Rolle spielt. Physik lernen 7  Zeiten werden zwischen der Person und den Satelliten ausgetauscht Positionsbestimmung durch das Schneiden von drei Kreisen (Siehe Bild links) 🛰️ Warum die Zeitdilatation wichtig ist: Es werden Zeiten ausgetauscht ⇒ Wegen der Distanz muss die Zeitdilatation berechnet berücksichtigt werden um kein falsches Ergebnis herauskommt Beispiel: Bei 20.000.000 Metern würde das GPS nur auf rund 282m genau sein Ich kann die Detektion von Myonen auf der Erdoberfläche mithilfe der Zeitdilatation und mithilfe der Längenkontraktion erklären. Myonen, Teilchen, die in der oberen Atmosphäre entstehen, sollten aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer nicht die Erdoberfläche erreichen. Durch ihre hohe Geschwindigkeit schaut es so aus als würden sie “länger leben”. Physik lernen 8  ⏱️ Aus Sicht der Erdoberfläche (Zeitdilatation) Δh = ~ 10.000m Geschwindigkeit Myon: c*0,995 Halbwertszeit Myon: 2µs = 2*10^-6 s ⇒ Für die Myonen vergeht die Zeit langsamer als auf der Erde da γ(Lorenzfaktor) ca. 10 ist ⚛️ Aus Sicht der Myonen (Längenkontraktion) Der für sie Zurückgelegte Weg ist nur Δhµ = 600m Δhµ = 2 ∗ 10−6 ∗ 3 ∗ 108 = 6 ∗ 102 = 600m Ich weiß, was man unter der Äquivalenz von Energie und Masse versteht. Insbesondere kenne ich die mathematische Gleichung der Form E=mc^2. E = m ∗ c2 Objekte haben wegen ihrer Masse Energie. Verändert man den Energiegehalt eines Objekts, so ändert ich seine Masse. Ich kann das grundlegende Konzept der Energiebereitstellung durch Kernspaltung und Kernfusion mithilfe der Äquivalenz von Energie und Masse erklären. Insbesondere weiß ich, wie die Massenunterschiede mit Hilfe der Äquivalenz von Energie und Masse zu deuten sind. Physik lernen 9  ☢️ Bei der Kernspaltung wird der Atomkern eines schweren Elements (wie Uran-235 oder Plutonium-239) kleinere Kerne (Spaltprodukte) durch den Beschuss von Neutronen zerlegt. Die Masse der Spaltprodukte ist geringer als die ursprüngliche Masse des schweren Kerns und der Neutronen. Dieser Massenunterschied wird in Energie (Wärme) umgewandelt. ⚛️ Bei der Kernfusion verbinden sich zwei leichte Atomkerne (wie Wasserstoffisotope) zu einem schwereren Kern (wie Helium). Dieser Prozess findet in Sternen, einschließlich unserer Sonne, statt. Ähnlich wie bei der Spaltung ist die Masse des fusionierten Kerns geringer als die Summe der Massen der ursprünglichen Kerne. Der Massenunterschied wird in Form von Energie freigesetzt. Physik lernen 10