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BRAGG-Reflexion
Grundwissen
- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
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- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
Beugung und Interferenz von Elektronen an Kristallgittern
Grundwissen
- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
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- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
Beugung und Interferenz von Elektronen außerhalb von Materie
Grundwissen
- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
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- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
Wesenszug 1: Statistische Vorhersagbarkeit
Grundwissen
- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
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- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
Wesenszug 2: Fähigkeit zur Interferenz
Grundwissen
- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
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- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
Wesenszug 3: Eindeutige Messergebnisse
Grundwissen
- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
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- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
Wesenszug 4: Komplementarität
Grundwissen
- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
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- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
Beugung
Grundwissen
- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
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- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
Licht und Farben
Grundwissen
- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
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- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
Das menschliche Auge - Akkommodation und Sehfehler
Grundwissen
- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
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- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
Optik
Lichtreflexion
- Vertauscht ein Spiegel links und rechts?
- Wie groß muss ein Spiegel sein, damit man sich ganz in ihm sehen kann?
- Wo befindet sich das Spiegelbild, wenn hinter dem Spiegel eine Wand ist?
Themenbereich
Optik
Farben
- Kann man Licht zerlegen …
- … und wieder zusammensetzen?
- Wie entstehen die Farben beim Fernseher …
- … und wie beim Malen mit Farben?
Themenbereich
Optik
Lichtausbreitung
- Wann können wir Gegenstände sehen?
- Warum sprechen wir von Lichtstrahlen?
- Wie entstehen Schatten?
- Wie funktioniert eine Lochkamera?
Themenbereich
Optik
Lichtbrechung
- Verlaufen Lichtstrahlen immer geradlinig?
- Wie funktioniert ein Prisma?
- Warum können wir unter Wasser schlecht sehen?
- Wie entsteht eine Fata Morgana …
- … und wie ein Regenbogen?
Themenbereich
Optik
Optische Linsen
- Was sind Sammellinsen …
- … und was Zerstreuungslinsen?
- Wie erzeugen Linsen eigentlich Bilder?
- Was sind virtuelle …
- … und was reelle Bilder?
Themenbereich
Wärmelehre
Allgemeines Gasgesetz
- Warum transportieren Taucher Sauerstoff in Metallflaschen?
- Was geschieht, wenn man Luft immer weiter abkühlt?
- Warum benutzt man im Weltall Gasthermometer?
Themenbereich
Wärmelehre
Ausdehnung bei Erwärmung
- Wie funktioniert ein Heißluftballon?
- Wofür sind die Dehnungsfugen in Mauern?
- Warum darf man keine Wasserflaschen ins Eisfach legen?
- Wie überleben Fische eigentlich im Winter?
Themenbereich
Wärmelehre
Innere Energie - Wärmekapazität
- Was lässt sich leichter erwärmen, Wasser oder Blei?
- Warum ist es am Meer oft wärmer als im Landesinneren?
- Kann man Eisen mit einem Hammer zum Glühen bringen?
- Warum schwitzen wir eigentlich im Sommer?
Themenbereich
Wärmelehre
Kinetische Gastheorie
- Was geschieht eigentlich in einem Gas, das man erwärmt?
- Wie schnell bewegen sich die Teilchen in einem Gas?
- Wie funktioniert eine Lichtmühle?
Themenbereich
Wärmelehre
Temperatur und Teilchenmodell
- Wie entstand eigentlich die CELSIUS-Skala?
- Woher kennt man den absoluten Nullpunkt?
- Was geschieht in Körpern, wenn man sie erwärmt?
- Wie wird Wärme zwischen Körper übertragen?
Themenbereich
Wärmelehre
Wärmekraftmaschinen
- Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
- Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
- OTTO- oder DIESEL-Motor?
- Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?
Themenbereich
Wärmelehre
Wärmetransport
- Warum werden Häuser mit Schaumstoffen gedämmt?
- Wie bleiben Tiere im Winter warm?
- Wie kommt eigentlich die Wärme der Sonne zur Erde?
Themenbereich
Wärmelehre
Wetter und Klima
- Wie entstehen eigentlich Wolken?
- Was sind Hoch- und Tiefdruckgebiete?
- Wie kommt es zu einem Gewitter?
- Was ist der Treibhauseffekt?
Themenbereich
Optik
Beugung und Interferenz
- Kommt Licht um die Ecke?
- Licht + Licht = Dunkelheit?
- Wie misst man die Wellenlänge von Licht?
Themenbereich
Übergreifend
Energieentwertung
- Welche verschiedenen Energieformen gibt es?
- Was versteht man unter reversiblen …
- … und was unter irreversiblen Vorgängen?
- Wann wird Energie entwertet?
Themenbereich
Übergreifend
Energiespeicherung
- Warum versucht man Energie zu speichern?
- Kann man jede Energieform speichern?
- Wie speichert man Energie aus regenerativen Quellen?
Themenbereich
Wärmelehre
Deterministisches Chaos
- Was versteht man unter dem Kausalprinzip?
- Kann ein Schmetterling einen Wirbelsturm verursachen?
- Deterministisches Chaos – ist das nicht ein Widerspruch?
Themenbereich
Optik
Elektromagnetisches Spektrum
- Was haben Infrarotstrahlung …
- … Mikro- und Radiowellen …
- … und Licht gemeinsam?
Themenbereich
Übergreifend
Fossile Energieversorgung
- Was ist eigentlich fossile Energie …
- … und wo kommt sie her?
- Wie funktioniert ein klassisches Kraftwerk?
- Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?
Themenbereich