Physik

Schatten sind lichtarme Zonen hinter einen Körper, wo das Licht durch Gegenstände an der Ausbreitung gehindert wird.

Man unterscheidet zwischen Kernschatten und Halbschatten.

Der Raum in den kein Licht gelangt nennt man Kernschatten. Der aufgehellte Schattenbereich nennt man Halbschatten.

Durch die Stellung von Sonne, Mond und Erde enstehen Tageszeiten, Mondphasen und Finsternisse.

Mondfinsternis: Der Mond tritt in den Schatten der Erde ein, die einen Kegelschatten hinter sich wirft und den Mond verdeckt.

Sonnenfinsternis: Der Mond verdeckt die Sonnenscheibe komplett. Dabei hat der Mond meistens den geringsten Abstand zur Erde. Sonnenfinsternisse sind nur auf kleinen Gebieten sichtbar (ca. 200km)

Eine Sonnenfinsternis dauert weniger lange al eine Mondfinsternis. Das liegt am Durchmesser von Mond (3500km) und Erde (12700km).

Licht kann reflektiert oder absobiert werden. Die Reflexion kann gerichtet oder diffus erfolgen.

Treffen die Lichtstrahlen senkrecht auf einen Spiegel dann werden die Lichtstrahlen in sich selbst reflektiert.

Reflexiongesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel(Reflexionswinkel)

Spiegelbild und Gegenstand liegen symetrisch zur Spiegelebene. Die Strahlen werden reflektiert und treffen unser Auge. Spiegelbilder sind virtuell "scheinbar", weil von ihnen kein Licht kommt.

Am Brennpunkt F (lat. Focus) treffen alle Lichtstrahlen und konzentrieren sich auf einen Punkt.

(1) Achsenparallele Strahlen treffen nach der Reflexion auf den Brennpunkt F. Lichtweg ist auch umkehrbar.

(2) Strahlen die durch den Mittelpunkt M gehen, werden in sich selbst reflektiert. 

(3) Wenn der Punkt P ausserhalb des Bereiches von dem Spiegelmittelpunkt sind schneiden sich alle in einem gemeinsamen reelen Bildpunkt p¹. 

(4) Parallele Strahlen schneiden sich an einen gemeinsamen Punkt auf der Brennebene.

Ein virtuelles Bild ist in der Physik eine optische Abbildng die im Gegensatz zu einen reelen Bild nicht auf einen Schirm abgebildet werden kann.

Benennung der Strahlen: (zu 1)

(Orange) Parallelstrahl: Strahl parallel zur optischen Achse.

(Grün) Mittelpunktstrahl: vom Gegenstand durch den Mittelpunkt.

(Rot) Brennstrahl: vom Gegenstand durch den Brennpunkt.

(1) Gegenstand ausserhalb der doppelten Brennweite, Bild B zwischen doppelter und einfacher Brennweite, Bild reell verkleinert und umgekehrt.

(2) Gegenstand zwischen doppelter und einfacher Brennweite, Bild B ausserhalb der doppelten Brennweite, reell vergrößert umgekehrt.

(3) Gegenstand zwischen einfacher Brennweite und Spiegel, Bild scheinbar hinter dem Spiegel, virtuell, vergrößert und aufrecht (Bsp. Rasierspiegel)

(4) Gegenstand genau auf einfacher Brennweite, Es exestiert kein Bild.

Lichtstrahlen werden bei optisch dünneren Stoffen (z.B. Wasser) zu optisch dichteren Stoffen zum Lot hin gebrochen, der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel.

Beim Übergang von optisch dichteren Stoffen (z.B. Wasser) zu optisch dünneren Stoffen erfolgt die Brechung weg vom Lot, der Winkel ist größer als der Einfallswinkel.

Beim Durchgang durch eine Glasplatte wird der Lichtstrahl zwei mal gebrochen und verschiebt sich parrallel zu sich selbst.

Beim Durchgang durch ein Prisma wird der Strahl zweimal zur Basis hin gebrochen, je größer der Winkel, desto stärker die Ablenkung

Der Einfallswinkel bei der eine Totalreflexion auftritt nennt man Grenzwinkel. Dieser ist abhängig vom jeweiligen Medienpaar.

Eine Totalreflexion kann nur beim Übergang von optisch dichteren zu optisch dünneren Medien auftreten, und der Einfallswinkel muss größer sein als der Grenzwinkel.

Grenzwinkel:

Wasser 49°

Diamant 24°

Alkohol 47°

Plexiglas 42°

Bündelt parallel einfallendes Licht.

Schräg fallende Strahlen bündeln sich auf einen Punkt der auf der Brennebene liegt.

Gehen die Strahlen durch den Linsenmittelpunkt, verlaufen diese ungebrochen weiter.

Strahlen die von einen gemeinsamen Punkt ausgehen, sammeln sich nach dem Durchgang wieder in einen gemeinsamen Punkt. (Bildentstehung)

Jede Zerstreuungslinse hat zwei scheinbare Brennpunkte. Es scheint als würden die Strahlen von diesen scheinbaren Brennpunkten ausgehen.

Zerstreuungslinsen erzeugen immer ein aufrechtes, verkleinertes virtuelles Bild.

Die Linsengleichung ist die Summe der Kehrwerte von Gegenstandsweite g und Bildweite b gleich dem Kehrwert der Brennweite f

Die Linse in unserem Auge ist eine Sammelinse. Die Akkomodation wird mit dem Ziliarmuskel durchgeführt. Dies bewirkt eine schwächere oder stärkere Krümmung der Linse. Es erfolgt eine Veränderung der Brennweite. Die Grenze der Akomodation ist bei einer Gegenstandsweite von 10cm erreicht. 

Deutliche Sehweite = 25cm

Weitsichtigkeit:

Man kann entfernte Gegenstände wahrnehmen, aber die Linse wird nicht stark genug gekrümmt um nahe Gegenstände abzubilden. Mit einer Sammellinse wird das Bild nach vorne geholt. Im zunehmenden Alter kann die Linse nicht mehr weit genug gekrümmt werden (Altersweitsichtigkeit)

Bei einer Weitsichtigkeit ist der Augapfel meist zu kurz.

Kurzsichtigkeit:

Bei der Kurzsichtigkeit kann man nahe Gegenstände erkennen, aber die Linse entspannt sich nicht genug um weite enfernte Gegenstände wahrzunehmen. Mit der Zerstreuungslinse wird das Bild nach hinten zurückgeholt.

Bei der Kurzsichtigkeit ist der Augapfel meist zu lang.

Einfarbiges Licht des Spektrum kann nicht weiter zerlegt werden. Alle Spektralfarben zusammen ergeben weißes Licht.

Rot wird am stärksten und violett am schwächsten gebrochen.

Additive Farbmischung:

Wird das Spektrum in die drei Breiche Rot, Blau und Grün aufgeteilt und mischen sie, dann entstehen neue Farben

Subtraktive Farbmischung:

Werden Farbfilter vor weißes Licht gehalten, absorbieren einzelne Farben und führen eine Subtraktion aus. Eine neue Farbe ensteht, indem eine Mischfarbe herausgenommen wird.

Körperfarben: entstehen dadurch, wenn ein Körper nur bestimmte Farben des Lichtes reflektiert und andere absorbiert. Die reflektierende Farbe ist die vom Augenlicht aufgenommene Farbe. Bsp. Fällt weißes Licht auf eine Rose, so wird Blau und Grün absorbiert und nur das Rot wird reflektiert.

Wärmeempfinden ist Subjektiv, es ist von Mensch zu Mensch verschieden.

In der Physik benötigt man Hilfsmittel um die Temperatur zu messen.

Temperatur ist ein Wärmezustand, der objetiv in einen Thermometer gemessen wird. Die Einheit der Temperatur ist Grad Celsius °C.

Thermometerarten:

Quecksilber: gefriert bei -39°C und siedet bei 357°C. Geeignet für sehr tiefer und sehr hoher Temperaturen

Alkohol: gefriert bei -70°C und siedet bei 60°C. Geeignet für tiefe Temperaturen.

Gallium: von 30°C bis 2204°C einsetzbar, und geeignet für hohe Temperaturen.

Der "absolute Nullpunkt" liegt bei -273,15°C, bei dieser Temperatur gefriert jede Flüssigkeit und jedes Gas.

Die absolute Temperatur-Skala auch Kelvinskala genannt hat das Einheitszeichen K (Kelvin).

Feste Körper:

Feste Körper dehnen sich beim erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen.

Faktoren für die Längenänderung eines Körpers:

- die Temperaturänderung

- die ürsprungliche Länge

- das Material

Die Längenänderung ist proprtional zur Temperaturänderung. Bsp. doppelte Temperaturänderung, doppelte Längenänderung. Die Längenänderung ist materialabhängig. Die Längenänderung ist proportional zur Anfangslänge. 

Volumenänderungen sind materialabhängig. Ändert sich das Volumen, so können Kräfte wirksam werden die umgebenes Material zerstören kann.

Flüssige Körper:

Flüssige Körper dehnen sich in der Regel beim erwärmen aus, und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen. Unterschiedliche Flüssigkeiten dehnen sich unterschiedlich aus.

Ausnahme Wasser: Wasser nimmt bei 4°C den kleinsten Raum ein, das kleinste Volumen, es bei dieser Temperatur die größte Dichte (1g/cm³). Dieses Verhalten wird als Anomalie des Wassers bezeichnet. Beim Erstarren wird Wasser um 10% größer. Dies bewirkt eine Sprengwirkung des Eises. 

Kälteres Wasser hat eine geringere Dichte und schwimmt auf dem wärmeren Wasser. (0°C -> Dichte 0,92 g/cm³). Wird es weiter gekühlt verringert sich die Dichte und das Volumen nimmt zu.

Gasförmige Körper:

Das Volumen nimmt beim erwärmen zu, und beim abkühlen ab. (Bsp. Heißluftballon)

Es gelten ähnliche Gesetzmäßigkeiten wie bei festen und flüssigen Körpern.

Werden Gase erwärmt, wächst ihr Volumen bei konstanten Druck um den gleichen Betrag 1/273 ihres Anfangsvolumen.

Die Längenänderung ist abhängig von:

-den Ausdehnungskonstanten

-der Anfangslänge

-der Temperaturänderung

Somit ergibt sich die Formel:

Längenänderung = Konstante * Angangslänge * Temperaturänderung

Ein Körper kann erwärmt werden durch:

- mechanische Arbeit ohne Wärmequelle, z.B reiben

- durch eine Wärmequelle, z.b Feuer, Sonne, Kochplatte

Durch die Zufuhr von Wärmeenergie, wird die Energiemenge erhöht, die -unsichtbar- im Körper steckt. Sie beschreibt wieviel Energie im Körper steckt und wird innere Energie genannt.

Die Erhöhung der inneren Energie äußert sich im Temperaturanstieg.

Mit dem erwärmen können sich die Zusatndsformen ändern:

Fest: in festen Körpern haben die Mölekule feste Plätze, wobei große Kräfte zusammenhalt bewirken. Moleküle schwingen auf ihren Plätzen um die Ruhelage.

Flüssig: In flüssigen Körpern sind die Moleküle gegeneinander verschiebbar, die Anziehungskräfte wirken noch.

Gas: In gasförmigen Körpern sind die Moleküle frei und nehmen jeden Raum ein. Es besteht praktisch keine Anziehungskraft mehr.

Die Erhöhung der inneren Energie bewirkt eine zunehmende Molekülbewegung. Je kühler ein Körper ist desto weniger ist die Molekülbewegung. Dadurch verändert sich die Temperatur.

Innere Energie = Wärmeenergie = Wärmemenge

Wärmeenergie = Q

Wärmeenergie ist proportional zur Temperaturänderung

Wärmeenergie ist proportional zur Masse

Gleiche Massen verschiedener Körper haben verschiedene Temperaturändrungen bei gleicher Wärmezufuhr.

Die spezifische Wärmekapazität c unterscheidet die verschiedenen Stoffe. Sie ist eine charakteristische Konstante, bezogen auf 1kg bei 1K Temperaturerhöhung.

Die Wärmeenergie hängt ab von:

-der Temperaturänderung

-der Masse

-der Wärmekapazität c

Einheit der Wärmeenergie:

Joule (J) - 1000 J = 1 kj (1Kilojoule)

Wärmemenge = Konstante * Masse * Temperaturänderung

Wie hoch ist die Wärmeenergie, die der Tauchsieder alle 30sek an die Wassermasse von 500ml abgibt, wenn dabei der Temperaturanstieg 3,9K beträgt.

Die Wärmeleitung:

Es gibt gute und schlechte Wärmeleiter.

Metalle sind gute Wärmeleiter. (hohe Wärmeleifähigkeit)

Nichtmetalle, wie z.B. Glas, Wolle, Wasser, Styropor, Kork, Holz, Gummi und alle Gase sind schlechte Wärmeleiter.

schlechte Wärmeleiter werden Wäremeisolatoren genannt, weil sie die Ausbreitung der Wärme verhindert. Die Wärme wird schlecht abgeführt.

Wärmeenergie wird innerhalb der Körper von den wärmeren zu den kälteren Teilchen weitergeleitet. Energieteilchen der heißen Stellen stoßen gegen energiearme der kühleren Stellen, dabei wird die Energie übertragen.

Die Wärmeströmung (Konvektion):

Energie kann transportiert werden, durch den Transport von Körpern, die Wärme aufnehmen oder abgeben.

(Bsp. ein heißer Stein wird von einen Ort zum anderen transportiert. Wärmeenergieträger war der Stein)

Wasser als Wärmeenergie-Transportmittel: Wasser wird erwärmt und nimmt Wärmeenergie auf. Es fließt zu den Heizkörpern. Die warmen Heizkörper geben durch die Wärmeleitung und Wärmestrahlung Wärmeenergie an die Luft ab. Die Luft erwärmt sich. 

Die Wärmestrahlung:

Wärmestrahlung geht von jeden Körper aus, sie ist umso größer, je höher die Temeratur im Vergleich zur Umgebung ist.

Wärmestrahlung ist nicht an Körper gebunden.

Wärmestrahlung kann absorbiert (dunkle Körper) und reflektiert (helle und spiegelnde) werden.

Die Reflexion ist vergleichbar mit der Reflexion der Lichtstrahlen.

Die drei Aggregatszustände sind fest, flüssig, gasförmig.

Die meisten Stoffe lassen sich durch Temperaturänderung in die verschiedenen Aggregatszustände bringen.

Schmelzen und Erstarren:

Beim Schmelzen geht der Körper vom festen in den flüssigen Zusatnd über. Die benötigte Energie heißt Schmelzenergie (Q) und die Schmelztemperatur ist Materialabhängig. Während des Schmelzens ändert sich die Temperatur nicht.

Schmelzenergie: Q = m * s (Q in kj, m in kg, s = Stoffabhängige Konstante)

Beim Erstarren geht der Körper vom flüssigen in den festen Zustand über. Schmelz- und Erstarrungstemperatur sind gleich. Der Körper gibt die gleiche Erstarrungswärme ab wie beim Schmelzen benötigt wird. Temperatur ändert sich beim Erstarren nicht.

Verdampfen, Kondensieren und Sublimieren:

Beim Verdampfen geht der Körper von flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Zuerst muss der flüssige Stoff bis zum Siedepunkt erwärmt werden. Bis zur vollständigen Verdampfung benötigte Wärmeenergie nennt man Verdampfungsenergie. Während des Verdampfens ändert sich die Temperatur nicht. 

Verdampfungsenergie: Q = m * r (r = Stoffspezifische Verdampfungsenergie)

Beim Kondensieren geht der Stoff vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über.  Sie tritt dan ein wenn der Stoff unter den Siedepunkt abgekühlt wird. Die Wärmeenergie die dabei ensteht nennt man Kondensationswärme. 

Der Siedepunkt ist vom Druck abhängig. Die Siedetemperatur steigt bei steigenden Druck, und sinkt bei sinkenden Druck. (Meereshöhe siedet Wasser bei 100°C, auf den Mt. Everest auf 8840m schon bei 70°C)

Sonderfälle: Es gibt Stoffe die sofort vom gasförmigen in den festen Zustand übergehen und umgekehrt und wird Sublimation genannt. Es kann bei Jod, Salmiak und Schwefel auftreten. (Trockeneis, Gefriertrocknen)

Die wichtigsten Elemente eines Kühlschrankes sind der Verdampfer und der Verflüssiger. Die verdampfende Flüssigkeit im Verdampfer entzieht im Kühlschrankinneren Wärmeenergie, und der Verflüssiger gibt die Verdampfungswärme nach außen ab (Wärmetauscher)

Beim Verdunsten geht der Stoff vom flüssigen in den gasförmigen über, ohne den Siedepunkt zu erreichen. 

Bei der Verdunstung von Wasser wird dieses von der umgebenen Luft aufgenommen.

Die Verdunstung findet nur an der Oberfläche statt.

Luftbewegung und erhöhte Temperatur beschleunige das Verdunsten.

Je wärmer die Flüssigkeit und je größer die Oberfläche desto schneller verdunstet  sie.