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Lasermedien
Grundwissen
- In Lasermedien muss eine Besetzungsinversion erzeugt werden, dies ist bei Medien mit nur zwei Energiezuständen nicht möglich.
- Lasermedien besitzen daher mehr als zwei Energiezustände.
- Dabei ist ein angeregter Energiezustand, der nicht der höchste ist, metastabil, also langlebig. Eine Besetzungsinversion wird möglich.
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- In Lasermedien muss eine Besetzungsinversion erzeugt werden, dies ist bei Medien mit nur zwei Energiezuständen nicht möglich.
- Lasermedien besitzen daher mehr als zwei Energiezustände.
- Dabei ist ein angeregter Energiezustand, der nicht der höchste ist, metastabil, also langlebig. Eine Besetzungsinversion wird möglich.
Flaschenzug
Grundwissen
- Beim Flaschenzug spielt die Anzahl \(n\) der tragenden Seile eine wichtige Rolle.
- Je größer die Zahl der tragenden Seile ist, desto weniger Zugkraft \(F_Z\) musst du aufbringen, um eine Last \(F_L\) anzuheben. Dafür verlängert sich die notwendige Zugstrecke \(s_Z\), um eine Last die Strecke \(s_L\) anzuheben.
- Für die Zugkraft gilt \(F_Z=\frac{1}{n}\cdot F_L\), für die Zugstrecke hingegen \(s_Z=n\cdot s_L\).
Grundwissen
- Beim Flaschenzug spielt die Anzahl \(n\) der tragenden Seile eine wichtige Rolle.
- Je größer die Zahl der tragenden Seile ist, desto weniger Zugkraft \(F_Z\) musst du aufbringen, um eine Last \(F_L\) anzuheben. Dafür verlängert sich die notwendige Zugstrecke \(s_Z\), um eine Last die Strecke \(s_L\) anzuheben.
- Für die Zugkraft gilt \(F_Z=\frac{1}{n}\cdot F_L\), für die Zugstrecke hingegen \(s_Z=n\cdot s_L\).
Gleitreibung
Grundwissen
- Gleitreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird und der eine Körper relativ zu dem anderen Körper gleitet.
- Die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers.
- Für den Betrag der Gleitreibungskraft gilt \(F_{\rm{GR}}=\mu _{\rm{GR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Gleitreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird und der eine Körper relativ zu dem anderen Körper gleitet.
- Die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers.
- Für den Betrag der Gleitreibungskraft gilt \(F_{\rm{GR}}=\mu _{\rm{GR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskoeffizient ist.
Rollreibung
Grundwissen
- Rollreibung tritt auf, wenn z.B. ein Rad durch eine Kraft gegen eine Unterlage gedrückt wird und das Rad über die Unterlage rollt.
- Die Rollreibungskraft \(\vec F_{\rm{RR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Rades.
- Für den Betrag der Rollreibungskraft gilt \(F_{\rm{RR}}=\mu _{\rm{RR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{RR}}\) der Rollreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Rollreibung tritt auf, wenn z.B. ein Rad durch eine Kraft gegen eine Unterlage gedrückt wird und das Rad über die Unterlage rollt.
- Die Rollreibungskraft \(\vec F_{\rm{RR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Rades.
- Für den Betrag der Rollreibungskraft gilt \(F_{\rm{RR}}=\mu _{\rm{RR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{RR}}\) der Rollreibungskoeffizient ist.
Haftreibung
Grundwissen
- Haftreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird, der eine Körper relativ zu dem anderen Körper ruht und auf einen der Körper eine Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\) wirkt.
- Bis zur maximalen Haftreibungskraft \(F_{\rm{HR,max}}\) sind Zugkraft und Haftreibungskraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, sodass der Körper in Ruhe bleibt.
- Für die maximale Haftreibungskraft gilt \({F_{\rm{HR,max}}} = \mu _{\rm{HR}} \cdot {F_{\rm{N}}}\), wobei \(\mu _{\rm{HR}}\) der Haftreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Haftreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird, der eine Körper relativ zu dem anderen Körper ruht und auf einen der Körper eine Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\) wirkt.
- Bis zur maximalen Haftreibungskraft \(F_{\rm{HR,max}}\) sind Zugkraft und Haftreibungskraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, sodass der Körper in Ruhe bleibt.
- Für die maximale Haftreibungskraft gilt \({F_{\rm{HR,max}}} = \mu _{\rm{HR}} \cdot {F_{\rm{N}}}\), wobei \(\mu _{\rm{HR}}\) der Haftreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
Viskose Reibung
Grundwissen
- Viskose Reibung beschreibt die Reibung eines Körpers bei der Bewegung in einer Flüssigkeit (oder einem Gas).
- Mathematisch kann die viskose Reibung gut für Kugeln beschrieben werden.
- Es gilt \(F_{\rm{VR}}=6\cdot \pi\cdot r\cdot \eta\cdot v\), wobei \(\eta\) die dynamische Viskosität der Flüssigkeit ist \(r\) der Radius der Kugel und \(v\) ihre Geschwindigkeit.
Grundwissen
- Viskose Reibung beschreibt die Reibung eines Körpers bei der Bewegung in einer Flüssigkeit (oder einem Gas).
- Mathematisch kann die viskose Reibung gut für Kugeln beschrieben werden.
- Es gilt \(F_{\rm{VR}}=6\cdot \pi\cdot r\cdot \eta\cdot v\), wobei \(\eta\) die dynamische Viskosität der Flüssigkeit ist \(r\) der Radius der Kugel und \(v\) ihre Geschwindigkeit.
Luftreibung
Grundwissen
- Die Luftreibung nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu.
- Die Querschnittsfläche \(A\) des Körpers und der von der Form abhängige Luftwiderstandsbeiwert \(c_{\rm{w}}\) beeinflussen die Luftreibung.
- Mathematisch gilt: \(F_{\rm{LR}}=\frac{1}{2}\cdot A\cdot c_{\rm{w}}\cdot \rho_{\rm{Luft}}\cdot v^2\)
Grundwissen
- Die Luftreibung nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu.
- Die Querschnittsfläche \(A\) des Körpers und der von der Form abhängige Luftwiderstandsbeiwert \(c_{\rm{w}}\) beeinflussen die Luftreibung.
- Mathematisch gilt: \(F_{\rm{LR}}=\frac{1}{2}\cdot A\cdot c_{\rm{w}}\cdot \rho_{\rm{Luft}}\cdot v^2\)
Lochkamera
Grundwissen
- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
Grundwissen
- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
Lichtgeschwindigkeit
Grundwissen
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
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- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
Magnetfeld eines geraden Leiters
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Magnetfeld einer Zylinderspule
Grundwissen
- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
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- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
Gesetz von MALUS
Grundwissen
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Größen zur Beschreibung von Induktionsvorgängen
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
Elektromagnetischer Schwingkreis gedämpft
Grundwissen
- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
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- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
Gravitation - Ursache der Gewichtskraft
Grundwissen
- Physikalische Ursache für die Gewichtskraft ist die Massenanziehung, auch Gravitation genannt.
- Die Größe der Gravitationskraft wird vom Abstand \(r\) der sich anziehenden Körper und ihren Massen \(m_1, m_2\) beeinflusst.
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- Physikalische Ursache für die Gewichtskraft ist die Massenanziehung, auch Gravitation genannt.
- Die Größe der Gravitationskraft wird vom Abstand \(r\) der sich anziehenden Körper und ihren Massen \(m_1, m_2\) beeinflusst.
Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
Luftdruck
Grundwissen
- Der Luftdruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft der Luftsäule überhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt.
- Luftdruck wird häufig in der Einheit \(\rm{bar}\) angegeben, wobei \(1\,\rm{bar}=10^5\,\rm{Pa}\) entspricht.
- Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt mit \(101\,325\,\rm{Pa}\) etwa \(1\,\rm{bar}\).
Grundwissen
- Der Luftdruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft der Luftsäule überhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt.
- Luftdruck wird häufig in der Einheit \(\rm{bar}\) angegeben, wobei \(1\,\rm{bar}=10^5\,\rm{Pa}\) entspricht.
- Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt mit \(101\,325\,\rm{Pa}\) etwa \(1\,\rm{bar}\).
Zusammenhang der Diagramme
Grundwissen
- Vom \(t\)-\(x\)- zum \(t\)-\(v\)-Diagramm gelangst du durch Berechnen der Geschwindigkeit \(v\) in jedem Abschnitt der Bewegung.
- Vom \(t\)-\(v\)- zum \(t\)-\(x\)-Diagramm gelangst du durch Berechnen der jeweiligen Flächen zwischen Graph und Rechtsachse
Grundwissen
- Vom \(t\)-\(x\)- zum \(t\)-\(v\)-Diagramm gelangst du durch Berechnen der Geschwindigkeit \(v\) in jedem Abschnitt der Bewegung.
- Vom \(t\)-\(v\)- zum \(t\)-\(x\)-Diagramm gelangst du durch Berechnen der jeweiligen Flächen zwischen Graph und Rechtsachse
Energieaufnahme von Atomen durch (Resonanz-)Absorption von Photonen
Grundwissen
- Atome können beim Aufeinandertreffen mit Photonen angeregt werden.
- Die Energie des Photons muss aber exakt gleich der Energiedifferenz der verschiedenen Energiezustände sein: \({E_{{\rm{Ph}}}} = {E_m} - {E_n}\). Deshalb der Begriff "Resonanzabsorption".
- Nach der Absorption ist das Photon komplett vernichtet.
Grundwissen
- Atome können beim Aufeinandertreffen mit Photonen angeregt werden.
- Die Energie des Photons muss aber exakt gleich der Energiedifferenz der verschiedenen Energiezustände sein: \({E_{{\rm{Ph}}}} = {E_m} - {E_n}\). Deshalb der Begriff "Resonanzabsorption".
- Nach der Absorption ist das Photon komplett vernichtet.
Energieaufnahme von Atomen durch Stoßanregung
Grundwissen
- Atome können durch Stöße mit anderen Atomen oder Elektronen angeregt werden (Stoßanregung).
- Je nach Energie des Teilchens, das mit einem Atom stößt, kann der Stoß elastisch, vollkommen unelastisch oder teilweise unelastisch sein.
- Ist der Energieübertrag durch den Stoß größer als die Ionisationsenergie des Atoms, so wird das Atom ionisiert (Stoßionisation).
Grundwissen
- Atome können durch Stöße mit anderen Atomen oder Elektronen angeregt werden (Stoßanregung).
- Je nach Energie des Teilchens, das mit einem Atom stößt, kann der Stoß elastisch, vollkommen unelastisch oder teilweise unelastisch sein.
- Ist der Energieübertrag durch den Stoß größer als die Ionisationsenergie des Atoms, so wird das Atom ionisiert (Stoßionisation).
Energieabgabe von Atomen durch Emission von Photonen
Grundwissen
- Angeregte Atome geben Energie durch die Emission von Photonen ab.
- Diese Photon werden erst bei der Emission erzeugt, d.h. sie waren vorher nicht im Atom vorhanden.
- Die Energie der emittierten Photonen ist immer gleich der Differenz der Energien zweier Energieniveaus des Atoms.
Grundwissen
- Angeregte Atome geben Energie durch die Emission von Photonen ab.
- Diese Photon werden erst bei der Emission erzeugt, d.h. sie waren vorher nicht im Atom vorhanden.
- Die Energie der emittierten Photonen ist immer gleich der Differenz der Energien zweier Energieniveaus des Atoms.
Energiezustände von Wasserstoff und verwandten Atomen
Grundwissen
- Die Energiezustände des Wasserstoffatoms sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Damit können auch die Wellenlängen \(\lambda\) der bei Wasserstoffübergängen möglichen Photonen berechnet werden.
- Die Energiezustände von Einelektronensystemen von Atomen mit der Kernladungszahl \(Z\) sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{Z^2}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Die Energiezustände von RYDBERG-Zustände aller Atomarten entsprechen den einfachen Verhältnissen beim Wasserstoffatom.
Grundwissen
- Die Energiezustände des Wasserstoffatoms sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Damit können auch die Wellenlängen \(\lambda\) der bei Wasserstoffübergängen möglichen Photonen berechnet werden.
- Die Energiezustände von Einelektronensystemen von Atomen mit der Kernladungszahl \(Z\) sind \({E_n} = - 13{,}6\,{\rm{eV}} \cdot \frac{Z^2}{{{n^2}}}\;;\;n \in \left\{ {1\;;\;2\;;\;3 \;;\;...} \right\}\)
- Die Energiezustände von RYDBERG-Zustände aller Atomarten entsprechen den einfachen Verhältnissen beim Wasserstoffatom.
Erzeugung von RÖNTGEN-Strahlung
Grundwissen
- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
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- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
Stromkreiselemente
Grundwissen
- Damit eine Lampe leuchtet, muss immer ein geschlossener Stromkreis vorliegen.
- Kabel dienen als Verlängerungen und ermöglichen einen einfachen Aufbau.
- Mit Schaltern kann der Stromkreis geöffnet und geschlossen werden.
- Sicherungen schützen die Bauteile im Stromkreis vor zu großen Strömen.
Grundwissen
- Damit eine Lampe leuchtet, muss immer ein geschlossener Stromkreis vorliegen.
- Kabel dienen als Verlängerungen und ermöglichen einen einfachen Aufbau.
- Mit Schaltern kann der Stromkreis geöffnet und geschlossen werden.
- Sicherungen schützen die Bauteile im Stromkreis vor zu großen Strömen.
Helium-Neon-Laser
Grundwissen
- Neon-Atome sind das laseraktive Medium
- Am Prozess sind vier Energieniveaus beteiligt - es ist ein "Vier-Niveau-System"
- Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda=633\,\rm{nm}\)
Grundwissen
- Neon-Atome sind das laseraktive Medium
- Am Prozess sind vier Energieniveaus beteiligt - es ist ein "Vier-Niveau-System"
- Helium-Neon-Laser emittiert rotes Licht der Wellenlänge \(\lambda=633\,\rm{nm}\)