Inhalt Physik LK 21/22

Mechanik

Hier findet man eine kurze Wiederholung der Mittelstufe in Stichworten. Ausführlicher ist die Darstellung der 10. Klasse.

• Kinematik

Beschreiben von Bewegungen in einem gewählten Koordinatensystem.

• Aufgaben zur Kinematik (Bewegungslehre) (Lösungen)

• Dynamik

Bewegungszustände und deren Veränderungen (Newtonsche Axiome). Die Erhaltungsgrößen Impuls und Energie.

• Die Kraft
• Kraft und Impuls
• Kraft und Energie
• Aufgaben zu Kräften (Lösungen)
• Aufgaben zu Massenträgheit, Impuls und Kraft; qualitativ (Lösungen)
• Aufgaben zur Newtonschen Mechanik (Dynamik) (Lösungen)

Mechanische Schwingungen

Kinder beim Schaukeln

Mind map zu Schwingungen. (freeplane-Datei)

• Grundbegriffe und Beispiele von Schwingungen

Hier werden anhand von wichtigen Beispielen die zentralen Begriffe einer Schwingung erläutert.

Experimentelle Untersuchung einer Schwingung

• Experimentelle Untersuchung einer Schaukel
  • Praktikum: Untersuchung eines Fadenpendels
  • Praktikum: Untersuchung einer schwingenden Stange (physikalisches Pendel)
  • Praktikum: Untersuchung einer Schaukel
• Untersuchung einer harmonischen Federschwingung

Wiederholung aus Klasse 10: Kreisbewegungen

• Kinematik (Bahngeschwindigkeit und Frequenz) der Kreisbewegung
• Dynamik (Zentripetalkraft und Bahnimpuls) der Kreisbewegung
  • Aufgaben zu Kreisbewegungen (Lösungen)

Kinematik einer harmonischen Schwingung

• Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit der Zeigerdarstellung
• Die Bewegungsgesetze einer harmonischen Schwingung

Dynamik einer harmonischen Schwingung

• Energie und Impuls einer mechanischen Schwingung
• Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit einer Differentialgleichung
• Praktikum: Untersuchung von Schwingungen mit der Differentialgleichung
  • Untersuchung von Schwingungen mit der Differentialgleichung

• Woran man eine harmonische Schwingung erkennt (Vier gleichwertige Kriterien)

Energiezufuhr und Energie"verlust" von Schwingungen

• Energiezufuhr bei Schwingungen

Überlagerung und Zerlegung von Schwingungen

• Überlagerung von harmonischen Schwingungen (Fouriersyntese)
• Zerlegung in harmonische Schwingungen (Fourieranalyse)

• Aufgaben zu Schwingungen (Lösungen)
• Links zu mechanischen Schwingungen

Einschub

• Was ist Physik?

• Messunsicherheit und Fehlerrechnung

Mechanische Wellen

Mind map zu Wellen. (freeplane-Datei)

• Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen
• Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle
• Zeigermodell und Wellengleichung
• Interferenz
• Brechung
• Dopplereffekt
• Eigenschwingungen von ausgedehnten Gegenständen ("Stehende Wellen")
  • Praktikum: Bau einer Panflöte aus Reagenzgläsern

• Aufgaben zu Wellen (Lösungen)
• Links zu Wellen

Grundlagen elektrischer, magnetischer und schwerer Felder

Mind map zu Feldern. (freeplane-Datei)

• Ein gewagter Vorausblick auf die Maxwell-Gleichungen
• Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)
• Fern- und Nahwirkungstheorie oder "Was ist ein Feld?"
• Feldenergie (qualitativ)
• Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)
• Graphische Darstellung von Feldern
• Die Feldstärke als gerichteter Ortsfaktor
• Das Potential eines Feldes
  • Praktikum: Äquipotentialflächen messen
• Dipole im elektrischen und magnetischen Feld
• Das Zentralfeld und die Abstandsgesetze (Gravitationsgesetz, Coulomb-Gesetz, magnetisches Coulomb-Gesetz)
• Ladung als Quellenstärke und der Fluss eines Feldes
• Feldenergie (quantitativ)
• Flächenladungsdichte, elektrische Feldkonstante und erste Maxwellsche Gleichung
• Material im magnetischen Feld (4st)

• Aufgaben zu den Grundlagen über Felder (Lösungen)

• Das Wichtigste über Felder (Zusammenfassung)

Elektrische Bauteile

• Das Oszilloskop
• Der Kondensator
• Praktikum: Einen Kondensator laden und entladen

• Aufgaben zum elektrischen Feld (Lösungen)
• Zusammenfassung: Das elektrische Feld
• Links zur Elektrizitätslehre

Elektro-Magnetismus

• Magnetfelderzeugung durch elektrische Ströme

Elektro-Magnet und Elektro-Motor

• Die magnetische Feldstärke
• Praktikum: Messung der magnetischen Ladung und der magnetischen Polarisation eines Stabmagneten
• Kraftwirkung auf elektrische Ströme im Magnetfeld - die Lorentzkraft
  • Untersuchung eines Elektromagneten
  • Der Halleffekt
  • Praktikum: Der Halleffekt bei Halbleitern
  • Ladungen im magnetischen Feld (Lorentzkraft)

• Aufgaben zum magnetischen Feld (Lösungen)

• Das Induktionsgesetz und die magnetische Flussdichte
• Der Transformator
• Selbstinduktion
• Energieübertragung durch Induktion: Lenzsche Regel und Wirbelströme
• Die Spule

• Aufgaben zum Elektro-Magnetismus (Lösungen)

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

• Der elektrische Schwingkreis
• Energiezufuhr bei Schwingkreisen
• Der Tesla-Transformator
• Verallgemeinerung des Induktionsgesetzes (Erzeugung von elektrischen Wirbelfeldern)

• Die Maxwellschen Gleichungen

• Grundbegriffe und Beispiele zu elektromagnetischen Wellen
• Das elektromagnetische Spektrum

• Versuche mit Mikrowellen
  • Absorption von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)
  • Reflexion von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)
  • Beugung und Interferenz von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)
  • Brechung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in Medien
  • Polarisation einer elektromagnetischen Welle
  • Versuche mit dem Mikrowellenherd
  • Lehramtspraktikum: Mikrowellen Erzeugung und Ausbreitung Elektromagnetischer Wellen (Physik Uni Heidelberg)

• Aufgaben zu elektromagnetischen Schwingungen und Wellen (Lösungen)

Licht

Mind map zum Licht. (freeplane-Datei) vergrößern Mind map zum Licht. (freeplane-Datei)

Die Welleneigenschaften des Lichts

• Der Doppelspaltversuch mit Licht
• Die Kohärenz von Licht
• der Einfachspaltversuch
• Optische Gitter
• Praktikum: Messen mit Interferenz von Licht
• Berechnung von Intensitäten von Einfachspalt, Doppelspalt und Mehrfachspalt mit Zeigern
• Interferenz an einer Seifenhaut (dünne Schicht)

• Aufgaben zum Licht als Welle (Lösungen)

• Links zum Thema Licht

Grundlagen der Quantentheorie

Licht als Teilchen

• Der Photoeffekt
• Umkehrung des Photoeffekts in einer Leuchtdiode (LED)
• Masse & Impuls von Photonen - Der Compton-Effekt

• Aufgaben zum Licht als Teilchen (Lösungen)

Welleneigenschaften von Materie

• Materiewellen nach de Broglie

Welle-Teilchen-Dualismus

• Der Welle-Teilchen-Dualismus - Vorstufe zur Quantentheorie

Quantentheorie nach Schrödinger (Wellenfunktion) und Feynman (Pfadintegrale)

• Zustandsfunktion, Superpositionsprinzip und Wahrscheinlichkeitsinterpretation beim Doppelspalt (Zeigermodell)

• Links zur Quantentheorie

Theoretisch-deduktives Vorgehen am Beispiel der Energie

Wiederholung und Vertiefung des Wissens aus Klasse 8-11.

• Das Konzept der Energie
• Praktikum: "Wärme": Messung von Entropie- und Energiemengen bei Wasser

• Aufgaben zum Konzept der Energie (Lösungen)

Atomphysik und die Schrödingergleichung

• Kurzer geschichticher Abriss der Atommodelle
• Lichtquellen und Spektrallinien
• Das Bohrsche Atommodell
• Eingesperrte Quanten; der Potentialtopf

• Heuristische Herleitung der eindimensionalen zeitunabhängigen Schrödingergleichung
• Heuristische Lösungen der eindimensionalen zeitunabhängigen Schrödingergleichung
• Numerisches Lösungsverfahren für die eindimensionale zeitunabhängige Schrödingergleichung
• Links zur Atomphysik

• Die Schrödingergleichung des Wasserstoffatoms (Orbitale)
• Das Hybrid-Orbital

• Der Franck-Hertz-Versuch

• Aufgaben zur Atomphysik und der Schrödingergleichung

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• Der Quantenradierer
• Reflektion von Lichtquanten an einem Spiegel
• Quantentheoretische Untersuchung der geradlinigen Lichtausbreitung
• Ein Vergleich von klassischer Physik mit Quantenphysik
• Philosophie Fragen und Interpretationen der Quantentheorie
• Der Knaller Test

Messungen in der Quantenmechanik

• Die Heisenbergsche Unschärferelation
• Verwendung von Wellenpaketen und Fouriertransformation

Etwas Philosophie und Geschichte

• Philosophie der Wahrscheinlichkeit
• Tabellarische Übersicht der Experimente der Atom- und Quantenphysik
• Atommodelle

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• Geschichte des Lichts
• Messung der Lichtgeschwindigkeit
• Polarisation von Licht
• Brechung von Licht
• Das Auflösungsvermögen von optischen Geräten
• Der Laser
• Das Michelson Interferometer