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Energie-Impuls-Beziehung
Grundwissen
- Klassisch ist die Beziehung zwischen kinetischer Energie und Impuls \({E_{\rm{kin}}} = \frac{{{p^2}}}{{2 \cdot m}}\)
- Relativistisch gilt zwischen Gesamtenergie, Ruheenergie und Impuls die Beziehung \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
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- Klassisch ist die Beziehung zwischen kinetischer Energie und Impuls \({E_{\rm{kin}}} = \frac{{{p^2}}}{{2 \cdot m}}\)
- Relativistisch gilt zwischen Gesamtenergie, Ruheenergie und Impuls die Beziehung \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
Relativistische Energie
Grundwissen
- 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 \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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.
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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.
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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.
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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.
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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!
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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 \(\Delta t = \frac{\Delta t'}{\sqrt{1 - (\frac{v}{c})^2}}\)
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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.
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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 \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)
Grundwissen
- 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
Grundwissen
- 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 \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Grundwissen
- 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 \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Betatron (Abitur BY 2019 Ph11-2 A2)
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
Abb. 1 Querschnitt eines BetatronsDas Betatron ist ein sehr kompakter Beschleuniger für Elektronen. Diese kreisen innerhalb einer evakuierten…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
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Zur AufgabeStrahlentherapie mit Elektronen (Abitur BY 2020 Ph11-1 A1)
Aufgabe (
Übungsaufgaben
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Durch Bestrahlung mit energiereichen Elektronen können Tumore auf der Hautoberfläche behandelt werden. Hierzu werden Elektronen in einem…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
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Zur AufgabeGegenüberstellung von Reihen- und Parallelschaltung - interaktive Version
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
OHMsches Gesetz - Formelumstellung
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
Um Aufgaben zum OHMschen Gesetz zu lösen musst du häufig die Gleichung \(U = R \cdot I\) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
Um Aufgaben zum OHMschen Gesetz zu lösen musst du häufig die Gleichung \(U = R \cdot I\) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das…
Zur AufgabeWiderstand, Stromstärke und Spannung an einem ohmschen Bauteil
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
Durch ein Bauteil, das einen ohmschen Widerstand darstellt, fließt bei einer Spannung von \(24{,}0\,\rm{V}\) ein Strom von…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
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Zur AufgabeTransformator an der Steckdose
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
Die Primärspule eines idealen Transformators hat \(N_{\rm{P}}=500\) Windungen, die Sekundärspule nur \(N_{\rm{S}}=250\) Windungen. Du schließt den…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
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Zur AufgabeEinfache Parallelschaltungen
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
a) In einer Parallelschaltung mit zwei Widerständen beträgt \(𝑅_{1}=20\,\Omega\) und…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Einstiegsaufgaben
)
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Zur AufgabeBestimmungen am Massenspektrometer
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
Simulation eines Massenspektrometers nach Bainbridge
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
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Zur AufgabeGefahr durch Strom und Körperwiderstand
Grundwissen
- Strom kann für den Menschen schon ab ca. \(30\,\rm{mA}\) tödlich sein.
- Wechselstrom ist gefährlicher als Gleichstrom.
- Der Körperwiderstand liegt mit Übergangswiderständen der Haut im Bereich von \(1\)-\(5\,\rm{k}\Omega\), je nach Weg durch den Körper.
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- Strom kann für den Menschen schon ab ca. \(30\,\rm{mA}\) tödlich sein.
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Einfache Reihenschaltung
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
a) Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Einfache ReihenschaltungBerechne…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
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Zur AufgabeSpulenstrom für ein Magnetfeld
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
a) Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Stromkreis mit langgestreckter…
Zur Aufgabe
Aufgabe (
Übungsaufgaben
)
a) Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Stromkreis mit langgestreckter…
Zur AufgabeElektrizität und Ladung
Grundwissen
- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- Ladungen sind die Ursache dafür, dass sich Gegenstände anziehen und abstoßen können.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
Grundwissen
- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- Ladungen sind die Ursache dafür, dass sich Gegenstände anziehen und abstoßen können.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
Auftreten von Induktion
Grundwissen
- Ändert sich das Magnetfeld, dass eine Spule durchsetzt, so wird in der Spule eine Induktionsspannung induziert.
- Je größer die Änderung des Magnetfeldes, desto größer die Induktionsspannung.
- Je schneller die Änderung des Magnetfeldes, desto größer die Induktionsspannung.
Grundwissen
- Ändert sich das Magnetfeld, dass eine Spule durchsetzt, so wird in der Spule eine Induktionsspannung induziert.
- Je größer die Änderung des Magnetfeldes, desto größer die Induktionsspannung.
- Je schneller die Änderung des Magnetfeldes, desto größer die Induktionsspannung.
Zusammenhang von Induktion und LORENTZ-Kraft
Grundwissen
- Das Auftreten von Induktionsspannungen kann mithilfe der LORENTZ-Kraft erklärt werden
- Ladungstrennung aufgrund von Bewegung von Ladung im Magnetfeld wird als Induktionsspannung messbar
- Wenn sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche eines Leiterrahmens ändert, wird eine Induktionsspannung messbar
Grundwissen
- Das Auftreten von Induktionsspannungen kann mithilfe der LORENTZ-Kraft erklärt werden
- Ladungstrennung aufgrund von Bewegung von Ladung im Magnetfeld wird als Induktionsspannung messbar
- Wenn sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche eines Leiterrahmens ändert, wird eine Induktionsspannung messbar
Induktionsstrom und Regel von Lenz
Grundwissen
- Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
- Die LENZsche ermöglicht einfache Vorhersagen zur Richtung auftretender Induktionsströme.
Grundwissen
- Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
- Die LENZsche ermöglicht einfache Vorhersagen zur Richtung auftretender Induktionsströme.