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Gigantische RYDBERG-Moleküle - Von der Theorie zum Experiment

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Moleküle in Action - Drehbuch für einen Film der Extreme

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Das Zusammenspiel von Kosmischer Inflation und String-Theorie

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Ein Gespräch über Quantenphysik

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Potenzschreibweise

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  • Sehr große und sehr kleine Zahlen kannst du mithilfe von Zehnerpotenzen übersichtlich darstellen.
  • Beispiele: \(13000000=1{,}3\cdot 10^7\) und \(0{,}0000123=1{,}23\cdot 10^{-5}\)

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  • Sehr große und sehr kleine Zahlen kannst du mithilfe von Zehnerpotenzen übersichtlich darstellen.
  • Beispiele: \(13000000=1{,}3\cdot 10^7\) und \(0{,}0000123=1{,}23\cdot 10^{-5}\)

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Direkte Proportionalität

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  • Bei zwei zueinander direkt proportionalen Größen gehört zum Doppelten, Dreifachen, . . . n-fachen der Größe \(x\) das Doppelte, Dreifache, . . .n-fache der Größe \(y\).
  • Zwei zueinander direkt proportionale Größen sind quotientengleich. Den Quotienten \(\frac{y}{x}\) nennt man die Proportionalitätskonstante (bzw. den Proportionalitätsfaktor).
  • Sind zwei Größen zueinander direkt proportional, so ergibt ihre Darstellung in einem Diagramm eine Halbgerade durch den Ursprung.

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  • Bei zwei zueinander direkt proportionalen Größen gehört zum Doppelten, Dreifachen, . . . n-fachen der Größe \(x\) das Doppelte, Dreifache, . . .n-fache der Größe \(y\).
  • Zwei zueinander direkt proportionale Größen sind quotientengleich. Den Quotienten \(\frac{y}{x}\) nennt man die Proportionalitätskonstante (bzw. den Proportionalitätsfaktor).
  • Sind zwei Größen zueinander direkt proportional, so ergibt ihre Darstellung in einem Diagramm eine Halbgerade durch den Ursprung.

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Größen, Basisgrößen und abgeleitete Größen

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  • Physikalische Größen bestehen immer aus einem Formelzeichen, einer Maßzahl und einer Maßeinheit. Beispiel: \(l=5{,}0\,\rm{m}\)
  • Es gibt sieben Basisgrößen über die alle anderen Größen definiert werden: Zeit, Länge, Masse, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke.
  • Die Einheit einer abgeleiteten Größe ergibt sich aus Rechnung mit den Einheiten der zugrundeliegenden Größen, z.B. beim Flächeninhalt: \(\left[ A \right] = \left[ l \right] \cdot \left[ b \right] = 1{\rm{m}} \cdot {\rm{m}} = 1{{\rm{m}}^{\rm{2}}}\)

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  • Physikalische Größen bestehen immer aus einem Formelzeichen, einer Maßzahl und einer Maßeinheit. Beispiel: \(l=5{,}0\,\rm{m}\)
  • Es gibt sieben Basisgrößen über die alle anderen Größen definiert werden: Zeit, Länge, Masse, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke.
  • Die Einheit einer abgeleiteten Größe ergibt sich aus Rechnung mit den Einheiten der zugrundeliegenden Größen, z.B. beim Flächeninhalt: \(\left[ A \right] = \left[ l \right] \cdot \left[ b \right] = 1{\rm{m}} \cdot {\rm{m}} = 1{{\rm{m}}^{\rm{2}}}\)

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Genauigkeitsangaben und gültige Ziffern

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  • (Gemessene) physikalische Größen sind in der Regel mit Unsicherheit verbunden.
  • Die Zahl der gültigen Ziffern ergibt sich durch Zählung aller Stellen ab der ersten von Null verschiedenen Ziffer nach rechts.
  • Die Größe mit den wenigsten gültigen Ziffern bestimmt mit ihrer Anzahl an gültigen Ziffern auch die Anzahl der gültigen Ziffern bei der Berechnung eines Produktes oder Quotienten aus mehreren Größen.
  • Manchmal muss du Zehnerpotenzen verwenden, um die Anzahl der gültigen Ziffern korrekt anzugeben.

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  • (Gemessene) physikalische Größen sind in der Regel mit Unsicherheit verbunden.
  • Die Zahl der gültigen Ziffern ergibt sich durch Zählung aller Stellen ab der ersten von Null verschiedenen Ziffer nach rechts.
  • Die Größe mit den wenigsten gültigen Ziffern bestimmt mit ihrer Anzahl an gültigen Ziffern auch die Anzahl der gültigen Ziffern bei der Berechnung eines Produktes oder Quotienten aus mehreren Größen.
  • Manchmal muss du Zehnerpotenzen verwenden, um die Anzahl der gültigen Ziffern korrekt anzugeben.

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Umgang mit dem Taschenrechner

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Aktivität eines Präparats

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  • Die Aktivität \(A\) einer radioaktiven Quelle gibt die Anzahl der Zerfälle \(\Delta N\) in der Quelle pro Zeitintervall \(\Delta t\) an.
  • Die Einheit der Aktivität ist Becquerel: \(\left[A\right]=1\,\rm{Bq}\)
  • Zur besseren Vergleichbarkeit wird häufig die spezifische Aktivität einer Probe angegeben, die das Verhältnis von Aktivität zur Masse der Probe beschreibt.

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  • Die Aktivität \(A\) einer radioaktiven Quelle gibt die Anzahl der Zerfälle \(\Delta N\) in der Quelle pro Zeitintervall \(\Delta t\) an.
  • Die Einheit der Aktivität ist Becquerel: \(\left[A\right]=1\,\rm{Bq}\)
  • Zur besseren Vergleichbarkeit wird häufig die spezifische Aktivität einer Probe angegeben, die das Verhältnis von Aktivität zur Masse der Probe beschreibt.

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Überblick über die Strahlungsarten

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  • Die drei Strahlungsarten unterscheiden sich in vielfältigen Eigenschaften
  • Aber jede der Strahlungsarten kann für den Menschen gefährlich sein

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  • Die drei Strahlungsarten unterscheiden sich in vielfältigen Eigenschaften
  • Aber jede der Strahlungsarten kann für den Menschen gefährlich sein

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Halbwertszeit

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  • Die Halbwertszeit \(T_{1/2}\) gibt an, nach welcher Zeitspanne sich die Anzahl der radioaktiven Ausgangskerne halbiert hat.
  • Nach einer Halbwertszeit hat sich auch entsprechend die Aktivität \(A\) einer Probe halbiert.
  • Die Halbwertszeiten variieren sehr stark zwischen verschiedenen Isotopen.
  • Es gilt: \(N(t) = {\left( {\frac{1}{2}} \right)^{\frac{t}{{{T_{1/2}}}}}} \cdot N(0)\)

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  • Die Halbwertszeit \(T_{1/2}\) gibt an, nach welcher Zeitspanne sich die Anzahl der radioaktiven Ausgangskerne halbiert hat.
  • Nach einer Halbwertszeit hat sich auch entsprechend die Aktivität \(A\) einer Probe halbiert.
  • Die Halbwertszeiten variieren sehr stark zwischen verschiedenen Isotopen.
  • Es gilt: \(N(t) = {\left( {\frac{1}{2}} \right)^{\frac{t}{{{T_{1/2}}}}}} \cdot N(0)\)

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Strahlenschutz

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Die 5 "A"s des Strahlenschutzes:

  • Abstand erhöhen!
  • Aufenthaltsdauer verkürzen!
  • Aktivität vermindern!
  • Abschirmung verstärken!
  • Aufnahme in den Körper vermeiden!

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Die 5 "A"s des Strahlenschutzes:

  • Abstand erhöhen!
  • Aufenthaltsdauer verkürzen!
  • Aktivität vermindern!
  • Abschirmung verstärken!
  • Aufnahme in den Körper vermeiden!

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Energiebilanz beim Alpha-Zerfall

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  • Beim Alpha-Zerfall emittiert der Mutterkern \(\rm{X}\) ein \(\alpha\)-Teilchen (\(\rm{He}\)-Kern). Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(2\), die Massenzahl um \(4\) kleiner als die des Mutterkerns.
  • Die Reaktionsgleichung lautet \(_{Z}^{A}{\rm{X}}\to\;_{Z-2}^{A-4}{\rm{Y}} +\;_{2}^{4}{\rm{He }}\)
  • Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q = \left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-m_{\rm{A}}\left(_{2}^{4}{\rm{He }} \right) \right] \cdot c^2\)

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  • Beim Alpha-Zerfall emittiert der Mutterkern \(\rm{X}\) ein \(\alpha\)-Teilchen (\(\rm{He}\)-Kern). Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(2\), die Massenzahl um \(4\) kleiner als die des Mutterkerns.
  • Die Reaktionsgleichung lautet \(_{Z}^{A}{\rm{X}}\to\;_{Z-2}^{A-4}{\rm{Y}} +\;_{2}^{4}{\rm{He }}\)
  • Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q = \left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)-m_{\rm{A}}\left(_{2}^{4}{\rm{He }} \right) \right] \cdot c^2\)

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Energiebilanz beim Beta-Minus-Zerfall

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  • Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Neutron in ein Proton um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^-\)-Teilchen (Elektron) und ein Anti-Elektron-Neutrino \(\bar \nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) größer als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
  • Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z+1}^A{\rm{Y}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}}+\;_0^0{\bar \nu_{\rm{e}}}\)
  • Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)

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  • Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Mutterkern \(\rm{X}\) ein Neutron in ein Proton um. Gleichzeitig wird ein \(\beta^-\)-Teilchen (Elektron) und ein Anti-Elektron-Neutrino \(\bar \nu_{\rm{e}}\) emittiert. Die Ordnungszahl des Tochterkerns \(\rm{Y}\) ist um \(1\) größer als die des Mutterkerns, die Massenzahl bleibt gleich.
  • Die Reaktionsgleichung lautet \(_Z^A{\rm{X}}\to\;_{Z+1}^A{\rm{Y}} +\;_{-1}^0{\rm{e^-}}+\;_0^0{\bar \nu_{\rm{e}}}\)
  • Der \(Q\)-Wert berechnet sich mit Atommassen durch \(Q=\left[ m_{\rm{A}}\left( \rm{X} \right)-m_{\rm{A}}\left( \rm{Y} \right)\right] \cdot c^2\)

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Konstruktionsstrahlen bei der Linsenabbildung

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  • Zur Konstruktion bei Linsenabbildungen nutzt man drei Hauptstrahlen: Parallelstrahl, Mittelpunktsstrahl und Brennpunktstrahl.
  • Mit den Konstruktionsstrahlen können sowohl Abbildungen an Sammellinsen als auch an Zerstreuungslinsen untersucht werden.

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  • Zur Konstruktion bei Linsenabbildungen nutzt man drei Hauptstrahlen: Parallelstrahl, Mittelpunktsstrahl und Brennpunktstrahl.
  • Mit den Konstruktionsstrahlen können sowohl Abbildungen an Sammellinsen als auch an Zerstreuungslinsen untersucht werden.

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Schatten

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  • Den lichtfreien Bereich hinter einem Gegenstand nennt man Schatten.
  • Bei zwei oder mehr punktförmigen Lichtquellen unterscheidet man Kernschatten, er wird von keiner Lichtquelle beleuchtet, und Halbschatten, er wird nur von einem Teil der Lichtquellen beleuchtet.
  • Bei ausgedehnten Lichtquellen tritt ein unscharfer Übergangsschatten auf.
 

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  • Den lichtfreien Bereich hinter einem Gegenstand nennt man Schatten.
  • Bei zwei oder mehr punktförmigen Lichtquellen unterscheidet man Kernschatten, er wird von keiner Lichtquelle beleuchtet, und Halbschatten, er wird nur von einem Teil der Lichtquellen beleuchtet.
  • Bei ausgedehnten Lichtquellen tritt ein unscharfer Übergangsschatten auf.
 

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Was ist Bionik?

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Der Lotuseffekt - selbstreinigende Oberfläche

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Auftrieb

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Flugfrüchte

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Leichtbauweise

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Lichtbündel und Lichtstrahlen

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  • Von Lichtquellen wie der Sonne oder einer Lampe gehen meist divergente (auseinanderlaufende) Lichtbündel aus.
  • Mithilfe von Blenden oder Spalten kannst du daraus (nahezu) parallele Lichtbündel erzeugen, die in unserer Vorstellung aus vielen einzelnen, sehr dünnen Lichtstrahlen bestehen.
  • Lichtstrahlen breiten sich in einem homogenen Medium, wie z.B. Luft, geradlinig aus.
  • Lichtstrahlen stören sich nicht gegenseitig in ihrer geradlinigen Ausbreitung.

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  • Von Lichtquellen wie der Sonne oder einer Lampe gehen meist divergente (auseinanderlaufende) Lichtbündel aus.
  • Mithilfe von Blenden oder Spalten kannst du daraus (nahezu) parallele Lichtbündel erzeugen, die in unserer Vorstellung aus vielen einzelnen, sehr dünnen Lichtstrahlen bestehen.
  • Lichtstrahlen breiten sich in einem homogenen Medium, wie z.B. Luft, geradlinig aus.
  • Lichtstrahlen stören sich nicht gegenseitig in ihrer geradlinigen Ausbreitung.

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Kernspaltung

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  • Schwere Atomkerne (große Massenzahl \(A\)) können z. B. durch den Beschuss mit langsamen Neutronen in mehrere kleinere Atomkerne gespalten werden.
  • Bei der Spaltreaktion tritt ein Massendefekt auf: Die Gesamtmasse nach der Spaltung ist kleiner als die Gesamtmasse vor der Spaltung.
  • Mithilfe eines \(A\)-\(\frac{B}{A}\)-Diagramms kannst du grob abschätzen, wie viel Energie bei einer Kernspaltung frei wird.

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  • Schwere Atomkerne (große Massenzahl \(A\)) können z. B. durch den Beschuss mit langsamen Neutronen in mehrere kleinere Atomkerne gespalten werden.
  • Bei der Spaltreaktion tritt ein Massendefekt auf: Die Gesamtmasse nach der Spaltung ist kleiner als die Gesamtmasse vor der Spaltung.
  • Mithilfe eines \(A\)-\(\frac{B}{A}\)-Diagramms kannst du grob abschätzen, wie viel Energie bei einer Kernspaltung frei wird.

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Kernfusion

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  • Zwei leichte Atomkerne können zu einem größeren Kern fusioniert werden, insbesondere Deuterium und Tritium zu Helium.
  • Bei der Fusionsreaktion tritt ein Massendefekt auf: Die Gesamtmasse nach der Fusion sind kleiner als die Gesamtmasse vor der Fusion.
  • Mithilfe eines \(A\)-\(\frac{B}{A}\)-Diagramms kannst du grob abschätzen, wie viel Energie bei einer Kernfusion frei wird.

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  • Zwei leichte Atomkerne können zu einem größeren Kern fusioniert werden, insbesondere Deuterium und Tritium zu Helium.
  • Bei der Fusionsreaktion tritt ein Massendefekt auf: Die Gesamtmasse nach der Fusion sind kleiner als die Gesamtmasse vor der Fusion.
  • Mithilfe eines \(A\)-\(\frac{B}{A}\)-Diagramms kannst du grob abschätzen, wie viel Energie bei einer Kernfusion frei wird.

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Additive Farbmischung

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  • Bei der additiven Farbmischung entstehen unterschiedliche Farbeindrücke dadurch, dass zu vorhandenem Licht das Licht weiterer Spektralfarben hinzugefügt wird.
  • In der Praxis mischt man nur Licht der drei Spektralfarben "Rot", "Grün" und "Blau". Man spricht dann vom RGB-Farbraum und nennt die Spektralfarben "Rot", "Grün" und "Blau" die Grund- oder Primärfarben der additiven Farbmischung.
  • Mischt man das Licht dieser drei Grundfarben passend zusammen, so erhält man fast alle möglichen Farbeindrücke und auch den Farbeindruck "weiß".

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  • Bei der additiven Farbmischung entstehen unterschiedliche Farbeindrücke dadurch, dass zu vorhandenem Licht das Licht weiterer Spektralfarben hinzugefügt wird.
  • In der Praxis mischt man nur Licht der drei Spektralfarben "Rot", "Grün" und "Blau". Man spricht dann vom RGB-Farbraum und nennt die Spektralfarben "Rot", "Grün" und "Blau" die Grund- oder Primärfarben der additiven Farbmischung.
  • Mischt man das Licht dieser drei Grundfarben passend zusammen, so erhält man fast alle möglichen Farbeindrücke und auch den Farbeindruck "weiß".

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Subtraktive Farbmischung

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  • Bei der subtraktiven Farbmischung entstehen unterschiedliche Farbeindrücke dadurch, dass aus vorhandenem Licht das Licht einzelner Spektralfarben herausgefiltert wird.
  • In der Praxis filtert man aus Licht, in dem alle Spektralfarben enthalten sind, getrennt voneinander Licht des "roten", des "grünen" und des "blauen" Spektralbereichs heraus. Die entsprechenden Farbfilter erscheinen uns in den Farben "Cyan", "Magenta" und "Gelb" ("Yellow"). Man spricht deshalb vom CMY-Farbraum.
  • Filtert man aus Sonnenlicht das Licht des "roten", des "grünen" und des "blauen" Spektralbereichs in unterschiedlichen Kombinationen und Filterstärken heraus, so erhält man fast alle möglichen Farbeindrücke bis hin zum Farbeindruck "schwarz".

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  • Bei der subtraktiven Farbmischung entstehen unterschiedliche Farbeindrücke dadurch, dass aus vorhandenem Licht das Licht einzelner Spektralfarben herausgefiltert wird.
  • In der Praxis filtert man aus Licht, in dem alle Spektralfarben enthalten sind, getrennt voneinander Licht des "roten", des "grünen" und des "blauen" Spektralbereichs heraus. Die entsprechenden Farbfilter erscheinen uns in den Farben "Cyan", "Magenta" und "Gelb" ("Yellow"). Man spricht deshalb vom CMY-Farbraum.
  • Filtert man aus Sonnenlicht das Licht des "roten", des "grünen" und des "blauen" Spektralbereichs in unterschiedlichen Kombinationen und Filterstärken heraus, so erhält man fast alle möglichen Farbeindrücke bis hin zum Farbeindruck "schwarz".

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Alphazerfall und Alphastrahlung

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  • Bei Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Heliumatomkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
  • Alphastrahlung hat eine geringe Reichweite und kann leicht abgeschirmt werden.
  • Alphastrahlung besitzt ein hohes Ionisierungsvermögen (ionisiert viele Teilchen in kleinem Raum).

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  • Bei Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Heliumatomkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
  • Alphastrahlung hat eine geringe Reichweite und kann leicht abgeschirmt werden.
  • Alphastrahlung besitzt ein hohes Ionisierungsvermögen (ionisiert viele Teilchen in kleinem Raum).

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Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung

Grundwissen

  • Bei Beta-Minus-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Elektronen.
  • Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (und ein Elektron-Antineutrino) um.
  • Beta-Minus-Strahlung kann durch dünne Metallplatten gut abgeschirmt werden.

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  • Bei Beta-Minus-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Elektronen.
  • Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (und ein Elektron-Antineutrino) um.
  • Beta-Minus-Strahlung kann durch dünne Metallplatten gut abgeschirmt werden.

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Gammaübergang und Gammastrahlung

Grundwissen

  • Bei Gammastrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten.
  • Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern von angeregtem in einen energetisch günstigeren Zustand übergeht. Dabei ändern sich die Kennzahlen des Kerns nicht.
  • Gammastrahlung hat eine sehr große Reichweite, durchdringt alle Materialien und kann nur mit sehr dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

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  • Bei Gammastrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten.
  • Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern von angeregtem in einen energetisch günstigeren Zustand übergeht. Dabei ändern sich die Kennzahlen des Kerns nicht.
  • Gammastrahlung hat eine sehr große Reichweite, durchdringt alle Materialien und kann nur mit sehr dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

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