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Relativistische Energie
- Die relativistische Gesamtenergie eines Körpers ist \(E(v)=m_{\rm{rel}}\cdot c^2=\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\cdot c^2\)
- Die Ruheenergie eines Körpers ist \(E_0=m_0\cdot c^2\)
- Die kinetische Energie ist die Differenz der Gesamtenergie \(E(v)\) und der Ruheenergie \(E_0\), also \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
- Die relativistische Gesamtenergie eines Körpers ist \(E(v)=m_{\rm{rel}}\cdot c^2=\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\cdot c^2\)
- Die Ruheenergie eines Körpers ist \(E_0=m_0\cdot c^2\)
- Die kinetische Energie ist die Differenz der Gesamtenergie \(E(v)\) und der Ruheenergie \(E_0\), also \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
Längenkontraktion
- Für bewegte Beobachter sind Strecken verkürzt.
- Für die Längenkontraktion gilt: \(\Delta x' = \Delta x \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}\)
- Die Längenkontraktion findet nur in Bewegungsrichtung statt.
- Für bewegte Beobachter sind Strecken verkürzt.
- Für die Längenkontraktion gilt: \(\Delta x' = \Delta x \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}\)
- Die Längenkontraktion findet nur in Bewegungsrichtung statt.
EINSTEINs Postulate
- Erstes Postulat (Relativitätsprinzip): Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
- Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit): Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.
- Erstes Postulat (Relativitätsprinzip): Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
- Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit): Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.
Geschwindigkeitsbetrachtung
- Klassische können Geschwindigkeiten von einem bewegten Bezugssystem und einer Bewegung innerhalb einfach addiert werden, um die Geschwindigkeit zu ermitteln, die man im ruhenden Bezugssystem messen würde.
- Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hat zur Folge, dass diese einfache Addition nicht richtig sein kann.
- Klassische können Geschwindigkeiten von einem bewegten Bezugssystem und einer Bewegung innerhalb einfach addiert werden, um die Geschwindigkeit zu ermitteln, die man im ruhenden Bezugssystem messen würde.
- Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hat zur Folge, dass diese einfache Addition nicht richtig sein kann.
Inertialsystem
- Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem ein kräftefreier Körper in Ruhe verharrt oder sich geradlinig-gleichförmig bewegt.
- Alle Systeme, die sich geradlinig-gleichförmig gegenüber einem Inertialsystem bewegen, sind ebenfalls Inertialsysteme.
- Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem ein kräftefreier Körper in Ruhe verharrt oder sich geradlinig-gleichförmig bewegt.
- Alle Systeme, die sich geradlinig-gleichförmig gegenüber einem Inertialsystem bewegen, sind ebenfalls Inertialsysteme.
Effekte
- Zeitdilatation: Eine bewegte Uhr geht langsamer als eine gleichartige im Ruhesystem!
- Gleichzeitigkeit ist relativ und hängt davon ab, von welchem Bezugssystem aus die Beobachtung erfolgt.
- Längenkontraktion: Ein bewegter Maßstab ist in Bewegungsrichtung kürzer als im Ruhesystem!
- Zeitdilatation: Eine bewegte Uhr geht langsamer als eine gleichartige im Ruhesystem!
- Gleichzeitigkeit ist relativ und hängt davon ab, von welchem Bezugssystem aus die Beobachtung erfolgt.
- Längenkontraktion: Ein bewegter Maßstab ist in Bewegungsrichtung kürzer als im Ruhesystem!
Zeitdilatation
- Zeitdilatation: Eine relativ zu einem Beobachter bewegte Uhr geht aus der Sicht des Beobachters langsamer als ein Satz synchronisierter Uhren im "Beobachter-System".
- Vereinfacht: Bewegte Uhren gehen langsamer.
- Der Zusammenhang zwischen Zeit \(\Delta t\) im ruhenden und \(\Delta t'\) im bewegten System ist \(\Delta t = \frac{\Delta t'}{\sqrt{1 - (\frac{v}{c})^2}}\)
- Zeitdilatation: Eine relativ zu einem Beobachter bewegte Uhr geht aus der Sicht des Beobachters langsamer als ein Satz synchronisierter Uhren im "Beobachter-System".
- Vereinfacht: Bewegte Uhren gehen langsamer.
- Der Zusammenhang zwischen Zeit \(\Delta t\) im ruhenden und \(\Delta t'\) im bewegten System ist \(\Delta t = \frac{\Delta t'}{\sqrt{1 - (\frac{v}{c})^2}}\)
Gleichzeitigkeit
- In einem Inertialsystem finden zwei Ereignisse an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig statt, wenn sie von einem Lichtblitz ausgelöst werden können, der genau aus der Mitte zwischen ihren Orten ausgeht.
- Finden zwei Ereignisse in einem Inertialsystem gleichzeitig statt, so finden sie in einem zweiten, gegenüber dem ersten Inertialsystem bewegten Inertialsystem zu verschiedenen Zeiten statt.
- Auch Gleichzeitigkeit ist relativ.
- In einem Inertialsystem finden zwei Ereignisse an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig statt, wenn sie von einem Lichtblitz ausgelöst werden können, der genau aus der Mitte zwischen ihren Orten ausgeht.
- Finden zwei Ereignisse in einem Inertialsystem gleichzeitig statt, so finden sie in einem zweiten, gegenüber dem ersten Inertialsystem bewegten Inertialsystem zu verschiedenen Zeiten statt.
- Auch Gleichzeitigkeit ist relativ.
Relativistische Masse und Impuls
- Auch die Masse eines Teilchens und sein Impuls unterliegen relativistischen Effekten.
- Die relativistische Masse nimmt mit der Geschwindigkeit \(v\) eines Teilchens stark zu, es gilt: \(m_{\rm{rel}}=\frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}}\)
- Für den relativistischen Impuls gilt \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)
- Auch die Masse eines Teilchens und sein Impuls unterliegen relativistischen Effekten.
- Die relativistische Masse nimmt mit der Geschwindigkeit \(v\) eines Teilchens stark zu, es gilt: \(m_{\rm{rel}}=\frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}}\)
- Für den relativistischen Impuls gilt \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)
Geschwindigkeitsaddition
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Video zum Hallwachseffekt
Dieses Video zeigt den Aufbau und das Ergebnis des Hallwachseffekts. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zum klassischen Hallwachseffekt
Dieses Video zeigt den Hallwachseffekt, bei dem Elektronen aus einer Metalloberfläche durch Bestrahlung herausgelöt werden. Dafür wird eine Metallplatte statisch aufgeladen und dann mit Licht bestrahlt. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zum Hallwachseffekt mit einer Influenzmaschine
Dieses Video zeigt den Aufbau des Hallwachsversuchs. Für die Aufladung der Metallplatte wird hier eine Influenzmaschine benutzt. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zum Hallwachseffekt mit positiv geladener Platte
Dieses Video zeigt die Durchführung des Hallwachseffekts. Die Metallplatte wird hier mithilfe einer Influenzmaschine positiv aufgeladen. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zum Hallwachseffekt mit einer abgeschirmten Lichtquelle
Dieses Video zeigt die Durchführung des Hallwachseffekts. Die benutzte Lichtquelle wird dabei zeitweise mit einer durchsichtigen Glasplatte abgeschirmt. Dabei beeinflusst sie die Entladung der Metallplatte. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zur Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit LEDs
In diesem Video wird das Experiment gezeigt, mit dem man die unterschiedlichen Schwellenspannungen verschiedenfarbiger LEDs bestimmt und daraus, mit der Wellenlänge der LEDs das Planck'sche Wirkungsquantum bestimmen kann. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkSammlung an interaktiven Bildschirmexperimenten (IBE) zum Photoeffekt
Diese Sammlung interaktiver Experimente beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Durchführung des Experiments zur Beobachtung des Photoeffekts. Ihr könnt den Versuch selbst aufbauen und die Einflüsse von Intensität und Wellenlänge des Lichts und Materials der Kathode untersuchen. Außerdem könnt ihr die Kondensatormethode mit der Gegenfeldmethode vergleichen. Zum Abschluss gibt es noch vertiefende Übungsaufgaben.
Zwischen den Experimenten könnt ihr durch Anklicken der Themen oder mit den Pfeilen unten rechts und links auf der Seite navigieren. Diese Experimente stammen von der AG Didaktik der Physik der Universität Berlin.
Diese Sammlung interaktiver Experimente beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Durchführung des Experiments zur Beobachtung des Photoeffekts. Ihr könnt den Versuch selbst aufbauen und die Einflüsse von Intensität und Wellenlänge des Lichts und Materials der Kathode untersuchen. Außerdem könnt ihr die Kondensatormethode mit der Gegenfeldmethode vergleichen. Zum Abschluss gibt es noch vertiefende Übungsaufgaben.
Zwischen den Experimenten könnt ihr durch Anklicken der Themen oder mit den Pfeilen unten rechts und links auf der Seite navigieren. Diese Experimente stammen von der AG Didaktik der Physik der Universität Berlin.
Sammlung an interaktiven Bildschirmexperimenten (IBE) zur Elektronenbeugung
Diese Sammlung an interaktiven Experimenten bietet die Möglichkeit den Versuch einer Elektronenbeugungsröhre selbst am Bildschirm durchzuführen. Zunächst macht man sich mit dem Versuchsaufbau vertraut, und führt dann qualitative und quantitive Beobachtungen durch, um grundlegende Aussage dieses Versuchs zu verstehen. Neben weiteren Experimenten zur Beugung von Elektronen, werden die historischen Voraussetzungen für die Entwicklung der Wellentheorie des Elektrons erklärt.
Zwischen den Experimenten könnt ihr durch Anklicken der Themen oder mit den Pfeilen unten rechts und links auf der Seite navigieren. Diese Experimente stammen von der AG Didaktik der Physik der Universität Berlin.
Diese Sammlung an interaktiven Experimenten bietet die Möglichkeit den Versuch einer Elektronenbeugungsröhre selbst am Bildschirm durchzuführen. Zunächst macht man sich mit dem Versuchsaufbau vertraut, und führt dann qualitative und quantitive Beobachtungen durch, um grundlegende Aussage dieses Versuchs zu verstehen. Neben weiteren Experimenten zur Beugung von Elektronen, werden die historischen Voraussetzungen für die Entwicklung der Wellentheorie des Elektrons erklärt.
Zwischen den Experimenten könnt ihr durch Anklicken der Themen oder mit den Pfeilen unten rechts und links auf der Seite navigieren. Diese Experimente stammen von der AG Didaktik der Physik der Universität Berlin.
Video zur Elektronenbeugung
Dieses Video zeigt die Beugung von Elektronen an einer ELektronenbeugungsröhre. Durch das Ablaufen verschiedener Spannungen werden zeigen sich verschiedene Ringbilder auf dem Schirm. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkVideo zum Einfluss eines Magneten auf das Beugungsbild einer Elektronenbeugungsröhre
Dieses Video zeigt ein Experiment, das den Einfluss eines Permanentmagneten auf das Beugungsbild einer Elektronenbeugungsröhre zeigt. Das Video wurde von der Ecole Science als Open Educational Resource (OER) veröffentlicht.
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Zur Übersicht Zum externen WeblinkInterferenzfähigkeit von Photonen im Quantenradierer
Quantenobjekte besitzen sowohl Welleneigenschaften wie Interferenzfähigkeit, als auch Teilcheneigenschaften wie Unteilbarkeit. Dies kann am Mach-Zehnder-Interferometer verdeutlicht werden:
- Ob im Interferometer Interferenz auftritt, hängt davon ab, ob der Lichtweg eines Photons eindeutig bestimmbar ist.
- Wenn einem Photon im Interferometer ein eindeutiger Weg zugeordnet werden kann, tritt keine Interferenz auf.
- Wenn einem Photon im Interferometer mehrere Wege zugeordnet werden können, tritt Interferenz auf.
- Die Zuordnung von Lichtwegen kann auch hinter dem Interferometer noch rückgängig gemacht werden ("Quantenradierer")
Quantenobjekte besitzen sowohl Welleneigenschaften wie Interferenzfähigkeit, als auch Teilcheneigenschaften wie Unteilbarkeit. Dies kann am Mach-Zehnder-Interferometer verdeutlicht werden:
- Ob im Interferometer Interferenz auftritt, hängt davon ab, ob der Lichtweg eines Photons eindeutig bestimmbar ist.
- Wenn einem Photon im Interferometer ein eindeutiger Weg zugeordnet werden kann, tritt keine Interferenz auf.
- Wenn einem Photon im Interferometer mehrere Wege zugeordnet werden können, tritt Interferenz auf.
- Die Zuordnung von Lichtwegen kann auch hinter dem Interferometer noch rückgängig gemacht werden ("Quantenradierer")
Quantenphysik in der Schule von Wolf-Dieter Hirlinger
Hervorragend gestaltete Seite, mit allem was der interessierte Lehrer für den Unterricht in Quantenphysik benötigt.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkHervorragend gestaltete Seite, mit allem was der interessierte Lehrer für den Unterricht in Quantenphysik benötigt.
Zur Übersicht Zum externen Weblinkmilq: Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenphysik
Ausführliche Unterrichtskonzeption zur Einführung in die Quantenphysik für die 10. Jahrgangsstufe. Besonders auf den Lehrplan in Niedersachsen zugeschnitten, aber auch sehr gut in anderen Bundesländern nutzbar.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkAusführliche Unterrichtskonzeption zur Einführung in die Quantenphysik für die 10. Jahrgangsstufe. Besonders auf den Lehrplan in Niedersachsen zugeschnitten, aber auch sehr gut in anderen Bundesländern nutzbar.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkQualitative Quantenphysik in der Sekundarstufe I von Prof. Dr. R. Müller
Guter Aufsatz über die Wesenszüge der Quantenphysik sowie die Bildungsziele bei ihrer Behandlung im Unterricht. Darstellung von Realexperimenten und Auseinandersetzung mit Schülervorstellungen.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkGuter Aufsatz über die Wesenszüge der Quantenphysik sowie die Bildungsziele bei ihrer Behandlung im Unterricht. Darstellung von Realexperimenten und Auseinandersetzung mit Schülervorstellungen.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkDas Würzburger Quantenphysik-Konzept von Dr. Horst Hübel
Umfangreiche Site mit den Grundfakten zur Quantenphysik, zahlreichen Versuchen, Glossar, Formulierungshilfen für den Lehrer usw.
Zur Übersicht Zum externen WeblinkUmfangreiche Site mit den Grundfakten zur Quantenphysik, zahlreichen Versuchen, Glossar, Formulierungshilfen für den Lehrer usw.
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