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Seil und Rolle
Grundwissen
- An einer Rolle herrscht Kräftegleichgewicht, wenn die beiden Seilkräfte \(F\) links und rechts gleich groß sind und die den Seilkräften entgegengerichtete Kraft auf die Rollenachse \(2\cdot F\) beträgt.
- Durch den Einsatz einer losen Rolle halbiert sich die notwendige Zugkraft \(F\) und eine Last mit der Gewichtskraft \(F_g\) anzuheben, dafür muss du das Seil doppelt so lange ziehen.
- Du kannst lose und feste Rollen zu einem Flaschenzug kombinieren.
Grundwissen
- An einer Rolle herrscht Kräftegleichgewicht, wenn die beiden Seilkräfte \(F\) links und rechts gleich groß sind und die den Seilkräften entgegengerichtete Kraft auf die Rollenachse \(2\cdot F\) beträgt.
- Durch den Einsatz einer losen Rolle halbiert sich die notwendige Zugkraft \(F\) und eine Last mit der Gewichtskraft \(F_g\) anzuheben, dafür muss du das Seil doppelt so lange ziehen.
- Du kannst lose und feste Rollen zu einem Flaschenzug kombinieren.
Hebel
Grundwissen
- Als Hebel bezeichnet man einen starren Körper, der um eine feste Drehachse gedreht werden kann, z.B. eine Wippe.
- Ein zweiseitiger Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Produkte aus Kraft \(F\) und Hebelarm \(a\) auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: \(F_{\rm{l}}\cdot a_{\rm{l}}=F_{\rm{r}}\cdot a_{\rm{r}}\)
- Allgemein ist der Hebelarm \(a\) bestimmt durch den Abstand zwischen Drehachse \(\rm{D}\) und der Wirkungslinie der Kraft \(F\).
Grundwissen
- Als Hebel bezeichnet man einen starren Körper, der um eine feste Drehachse gedreht werden kann, z.B. eine Wippe.
- Ein zweiseitiger Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Produkte aus Kraft \(F\) und Hebelarm \(a\) auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: \(F_{\rm{l}}\cdot a_{\rm{l}}=F_{\rm{r}}\cdot a_{\rm{r}}\)
- Allgemein ist der Hebelarm \(a\) bestimmt durch den Abstand zwischen Drehachse \(\rm{D}\) und der Wirkungslinie der Kraft \(F\).
Energieformen
Grundwissen
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Grundbegriffe zu Periodischen Bewegungen und Schwingungen
Grundwissen
- Bei einer periodischen Bewegung hat ein Körper nach einer Periodendauer \(T\) wieder den gleichen Bewegungszustand.
- Für die Frequenz einer periodischen Bewegung gilt \(f=\frac{1}{T}\).
- Die Amplitude einer Schwingung ist der Betrag des Maximalwerts der Auslenkung aus der Ruhelage.
Grundwissen
- Bei einer periodischen Bewegung hat ein Körper nach einer Periodendauer \(T\) wieder den gleichen Bewegungszustand.
- Für die Frequenz einer periodischen Bewegung gilt \(f=\frac{1}{T}\).
- Die Amplitude einer Schwingung ist der Betrag des Maximalwerts der Auslenkung aus der Ruhelage.
Ausbreitung Elektromagnetischer Wellen
Grundwissen
- Man unterscheidet bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen Nahfeld und Fernfeld.
- Das Nahfeld ist in unmittelbarer Nähe zur Quelle/Antenne.
- Im Fernfeld schwingen elektrisches und magnetisches Feld in Phase.
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- Man unterscheidet bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen Nahfeld und Fernfeld.
- Das Nahfeld ist in unmittelbarer Nähe zur Quelle/Antenne.
- Im Fernfeld schwingen elektrisches und magnetisches Feld in Phase.
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 \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
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 \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
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 \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
Elektrische Energie im geladenen Kondensator
Grundwissen
- Kondensatoren sind in der Lage elektrische Energie zu speichern.
- Ist ein Kondensator der Kapazität \(C\) mit einer Spannung \(U\) aufgeladen und trägt die Ladung \(Q\), dann gilt für die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie \({E_{{\rm{el}}}} = \frac{1}{2} \cdot Q \cdot U = \frac{1}{2} \cdot C \cdot {U^2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{{{Q^2}}}{C}\)
Grundwissen
- Kondensatoren sind in der Lage elektrische Energie zu speichern.
- Ist ein Kondensator der Kapazität \(C\) mit einer Spannung \(U\) aufgeladen und trägt die Ladung \(Q\), dann gilt für die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie \({E_{{\rm{el}}}} = \frac{1}{2} \cdot Q \cdot U = \frac{1}{2} \cdot C \cdot {U^2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{{{Q^2}}}{C}\)
Größen zur Beschreibung einer Welle
Grundwissen
- Zentrale Größen zur Beschreibung einer Welle sind ihre Amplitude \(\hat{y}\), ihre Schwingungsdauer \(T\), ihre Frequenz \(f\) und ihre Phasen- bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\).
- Dabei gilt der Zusammenhang \(\lambda = c \cdot T = \frac{c}{f}\)
Grundwissen
- Zentrale Größen zur Beschreibung einer Welle sind ihre Amplitude \(\hat{y}\), ihre Schwingungsdauer \(T\), ihre Frequenz \(f\) und ihre Phasen- bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\).
- Dabei gilt der Zusammenhang \(\lambda = c \cdot T = \frac{c}{f}\)
Schweredruck
Grundwissen
- Als Schweredruck bezeichnet man einen Druck, den ein Körper nur auf Grund der Gewichtskraft der über ihm liegenden Flüssigkeits- oder Gassäule erfährt.
- Für den Schweredruck gilt \({p = \rho \cdot g \cdot h}\).
- Der Schweredruck ist unabhängig von Form und Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule.
Grundwissen
- Als Schweredruck bezeichnet man einen Druck, den ein Körper nur auf Grund der Gewichtskraft der über ihm liegenden Flüssigkeits- oder Gassäule erfährt.
- Für den Schweredruck gilt \({p = \rho \cdot g \cdot h}\).
- Der Schweredruck ist unabhängig von Form und Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule.
Gesetz von HOOKE
Grundwissen
- Das HOOKEsche Gesetz beschreibt die Wirkung einer Kraft auf elastische Körper wie Federn.
- Die Federkonstante (Federhärte) wird mit \(D\) bezeichnet.
- Es gilt \(F=D\cdot \Delta x\) mit der Längenänderung der \(\Delta x\) der Feder.
Grundwissen
- Das HOOKEsche Gesetz beschreibt die Wirkung einer Kraft auf elastische Körper wie Federn.
- Die Federkonstante (Federhärte) wird mit \(D\) bezeichnet.
- Es gilt \(F=D\cdot \Delta x\) mit der Längenänderung der \(\Delta x\) der Feder.
Umrechnen von Einheiten der Kraft
Grundwissen
- Physikalische Größen bestehen immer aus Zahlenwert (Maßzahl) und Einheit.
- Verschiedene Einheiten der Kraft kannst du ineinander umrechnen.
Grundwissen
- Physikalische Größen bestehen immer aus Zahlenwert (Maßzahl) und Einheit.
- Verschiedene Einheiten der Kraft kannst du ineinander umrechnen.
Umstellen einer Gleichung
Grundwissen
- Formeln musst du manchmal umstellen, um die gesuchte Größe berechnen zu können.
- Hilfreich als Merkregel ist dabei das entsprechende Größendreieck.
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- Formeln musst du manchmal umstellen, um die gesuchte Größe berechnen zu können.
- Hilfreich als Merkregel ist dabei das entsprechende Größendreieck.
Impuls und Impulserhaltungssatz
Grundwissen
- Der Impuls ist das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers: \(\vec{p}=m\cdot\vec{v}\).
- In einem abgeschlossenen System ist der Impuls erhalten (Impulserhaltungssatz).
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- Der Impuls ist das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers: \(\vec{p}=m\cdot\vec{v}\).
- In einem abgeschlossenen System ist der Impuls erhalten (Impulserhaltungssatz).
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.
Kraftwandler
Grundwissen
- Kraftwandler ändern den Angriffspunkt, die Richtung, den Betrag oder mehrere dieser Eigenschaften einer Kraft.
- typische Beispiele für Kraftwandler sind Seil, Hebel, Rolle und Flaschenzug.
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- Kraftwandler ändern den Angriffspunkt, die Richtung, den Betrag oder mehrere dieser Eigenschaften einer Kraft.
- typische Beispiele für Kraftwandler sind Seil, Hebel, Rolle und Flaschenzug.
Kräfteaddition
Grundwissen
- Wirken zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper, so kannst du diese durch eine einzige resultierende Kraft \(\vec{F_{\rm{r}}}\) ersetzen.
- Die Richtung und den Betrag (die Stärke) der resultierenden Kraft kannst du grafisch ermitteln.
- Zeigen die angreifenden Kräfte in unterschiedliche Richtungen, so addierst du diese mittels Kräfteparallelogramm oder Kräftedreieck.
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- Wirken zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper, so kannst du diese durch eine einzige resultierende Kraft \(\vec{F_{\rm{r}}}\) ersetzen.
- Die Richtung und den Betrag (die Stärke) der resultierenden Kraft kannst du grafisch ermitteln.
- Zeigen die angreifenden Kräfte in unterschiedliche Richtungen, so addierst du diese mittels Kräfteparallelogramm oder Kräftedreieck.
Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld
Grundwissen
- Auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld wirkt im Allgemeinen eine Kraft.
- Die Kraftrichtung kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen.
- Wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel bzw. antiparallel verlaufen, wirkt keine Kraft.
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- Auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld wirkt im Allgemeinen eine Kraft.
- Die Kraftrichtung kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen.
- Wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel bzw. antiparallel verlaufen, wirkt keine Kraft.
Feldlinien
Grundwissen
- Elektrische Feldlinien veranschaulichen modellhaft die Struktur des E-Feldes.
- Je dichter die Feldlinien, desto stärker das E-Feld.
- Elektrische Feldlinien zeigen immer in die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Probekörper.
Grundwissen
- Elektrische Feldlinien veranschaulichen modellhaft die Struktur des E-Feldes.
- Je dichter die Feldlinien, desto stärker das E-Feld.
- Elektrische Feldlinien zeigen immer in die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Probekörper.
Ladung und Strom - Fortführung
Grundwissen
- Die Fläche im Zeit-Stromstärke-Diagramm entspricht der geflossenen Ladungsmenge \(\Delta Q\).
- Somit kann auch die geflossene Ladungsmenge bei variabler Stromstärke \(I\) ermittelt werden.
Grundwissen
- Die Fläche im Zeit-Stromstärke-Diagramm entspricht der geflossenen Ladungsmenge \(\Delta Q\).
- Somit kann auch die geflossene Ladungsmenge bei variabler Stromstärke \(I\) ermittelt werden.
Wechselstromwiderstände
Grundwissen
- Der Wechselstromwiderstand eines Elementes ist der Quotient aus Effektivspannung und Effektivstromstärke: \(X=\frac{U_{\rm{eff}}}{I_{\rm{eff}}}\)
- Man unterscheidet zwischen Wechselstromwiderständen von OHMschen Leitern \(X_R\), an kapazitiven Bauelementen (Kondensatoren) \(X_C\) und an induktiven Bauelementen (Spulen) \(X_L\).
- Zusätzlich verursachen Kondensatoren und Spulen Phasenverschiebungen der über dem Bauelement abfallenden Spannung gegenüber der Stromstärke1.
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- Der Wechselstromwiderstand eines Elementes ist der Quotient aus Effektivspannung und Effektivstromstärke: \(X=\frac{U_{\rm{eff}}}{I_{\rm{eff}}}\)
- Man unterscheidet zwischen Wechselstromwiderständen von OHMschen Leitern \(X_R\), an kapazitiven Bauelementen (Kondensatoren) \(X_C\) und an induktiven Bauelementen (Spulen) \(X_L\).
- Zusätzlich verursachen Kondensatoren und Spulen Phasenverschiebungen der über dem Bauelement abfallenden Spannung gegenüber der Stromstärke1.
Zeigerdiagramme in der Wechselstromtechnik
Grundwissen
- In der Wechselstromtechnik werden häufig Zeigerdiagramme zur Darstellung von Stromstärke und Spannung genutzt.
- Dabei dreht sich ein Zeiger, dessen Länge der Amplitude (z.B. \(\hat I\)) entspricht, mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) gegen den Uhrzeigersinn.
- Der Momentanwert der jeweiligen Größe kann dann im Zeigerdiagramm an der vertikalen Achse abgelesen werden.
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- In der Wechselstromtechnik werden häufig Zeigerdiagramme zur Darstellung von Stromstärke und Spannung genutzt.
- Dabei dreht sich ein Zeiger, dessen Länge der Amplitude (z.B. \(\hat I\)) entspricht, mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) gegen den Uhrzeigersinn.
- Der Momentanwert der jeweiligen Größe kann dann im Zeigerdiagramm an der vertikalen Achse abgelesen werden.
Effektivwerte von Wechselstrom und -spannung
Grundwissen
- Der Effektivwert der Spannung einer Wechselspannung bzw. der Stromstärke eines Wechselstroms ist diejenige zeitlich konstante Spannung bzw. Stromstärke, die in der gleichen Zeit die gleiche Energie liefert.
- Der Effektivwert \(U_{\rm{eff}}\) einer sinusförmigen Wechselspannung mit dem Scheitelwert \(\hat U\) ist \(U_{\rm{eff}}=\frac{\hat U}{\sqrt{2}}\)
- Der Effektivwert \(I_{\rm{eff}}\) eines sinusförmigen Wechselstroms mit dem Scheitelwert \(\hat I\) ist \(I_{\rm{eff}}=\frac{\hat I}{\sqrt{2}}\)
Grundwissen
- Der Effektivwert der Spannung einer Wechselspannung bzw. der Stromstärke eines Wechselstroms ist diejenige zeitlich konstante Spannung bzw. Stromstärke, die in der gleichen Zeit die gleiche Energie liefert.
- Der Effektivwert \(U_{\rm{eff}}\) einer sinusförmigen Wechselspannung mit dem Scheitelwert \(\hat U\) ist \(U_{\rm{eff}}=\frac{\hat U}{\sqrt{2}}\)
- Der Effektivwert \(I_{\rm{eff}}\) eines sinusförmigen Wechselstroms mit dem Scheitelwert \(\hat I\) ist \(I_{\rm{eff}}=\frac{\hat I}{\sqrt{2}}\)
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 \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)