Inhalt Kursstufe

Energie, Energieträger und Potential - Ein zentrales Modell

Wiederholung und Zusammenfassung des Wissens aus Klasse 8-11.

• Energie
• Energie- und Energieträgerströme
• Aufgaben
• Praktikum: Bestimmung von Energie- und Entropiekapazität von Wasser und Wasserdampf

Mechanik

Wiederholung in Stichworten von Klasse 8 bis 11

• Kinematik

Beschreiben von Bewegungen in einem Koordinatensystem, das man gewählt hat

• Dynamik
  • Die Kraft
  • Kraft und Impuls
  • Kraft und Energie

Grundlagen über Felder

• Kraftübertragung
• Fern- und Nahwirkungstheorie
• Massen und Gravitationsfeld Wikipedia: Gravitation
• elektrische Ladung und elektrisches Feld
• magnetische Pole und magnetisches Feld
• Wikipedia: magnetische Monopole
• Stromfluss und Magnetfeld ???

Das Gravitationsfeld

• Graphische Darstellung
  • Feldlinien unter Zugspannung
  • Feldflächen

• Messung der Feldstärke
  • Konzept des Probekörpers
  • Stetige Verkleinerung des Probekörpers
  • Unabhängigkeit von der Größe des Probekörpers

• Das Potential
  • Berechnung der Energie durch Wegintegrale
  • Veranschaulichung durch Potentialgebirge
  • Script Uni-Tübingen

• Felderzeugende Masse und Feldstärke
  • Newtonsches Gravitationsgesetz
  • Cavendish-Experiment (Gravitations-Drehwaage)
  • Gravitationskonstante

• Das Zentralfeld

• Links
  • Wikipedia: Kategorie: Gravitation

• Wiederholung elektrischer Grundbegriffe
  • Energietransport
  • Ladung
  • Potential
  • Spannung
  • Stromstärke
  • Widerstand

Elektrisches Feld

• Einführung in die Elektrostatik
  • Anziehung und Abstoßung
  • Graphische Darstellung von elektrischen Feldern
  • Grieskörnchenversuche
  • Feldlinien / Zugspannung
  • Feldflächen / Druckspannung
  • Influenz
  • Abschirmung (Faradayscher Käfig)

• Messung der Feldstärke
  • Konzept des Probekörpers
  • Stetige Verkleinerung des Probekörpers
  • Unabhängigkeit von der Größe des Probekörpers

• Das Potential des elektrischen Feldes
  • Script Uni Tübingen: Vergleich zwischem elektrischem und mechanischen Potential

• Felderzeugende Ladung und Feldstärke
  • Flächenladungsdichte
  • Das Coulombsche Gesetz Wikipedia: Coulombsches Gesetz

• Das Zentralfeld

• Kondensatoren
  • Plattenkondensator
  • Kapazität eines Kondensators
  • Energie elektrischer Felder
  • Materie im elektrischen Feld

• Milikanversuch
  • Quantisierung der Ladung

• Geladene Teilchen in elektrischen Feldern
  • Oszilloskop

Magnetisches Feld

• Ströme erzeugen Magnetfelder

Uni München, Elektromagnetismus

• • Magnetfeld um einen Leiter
  • Stromdurchflossenene Spule
  • Feldstärke

• Geladene Teilchen in magnetischen Feldern
  • e/m-Bestimmung eines Elektrons
  • Fernsehröhre
  • Lorentzkraft (Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld)

• Elektromotor

[1]

• Halleffekt
  • Hallsonde

• Geschwindigkeitsfilter für bewegte Teilchen
  • Wienfilter

Elektromagnetische Induktion

• Das Induktionsgesetz

• Energieerhaltung und Lenzsche Regel

• Selbstinduktion

• Induktivität einer Spule

Energie des magnetischen Feldes

• Dynamo (Wechselstromgenerator)

Mechanische Schwingungen

• Grundbegriffe und Beispiele von Schwingungen

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

• Energie und Impuls einer Schwingung
• Experimentelle Untersuchung einer Schaukel

Kinder beim Schaukeln

• Mathematische Beschreibung von Schwingungen
  • Harmonische Schwingung als Projektion einer Kreisbewegung
  • Differentialgleichungen
• Überlagerung von harmonischen Schwingungen
• Gedämpfte Schwingungen
• Erzwungene Schwingungen
• Links
  • Leifi Uni München: Die harmonische Schwingung
  • Applet zur Zeigerdarstellung
  • Applet zur Zeigerdarstellung (ca. 1MB)
  • Applet zur Überlagerung zweier harmonischer Wellen (ca. 1MB)
  • Applet Fouriersynthese
  • Applet zu Faden- und Federpendel
  • Wikipedia:harmonische Schwingung

Mechanische Wellen

• Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen
  • Wellenlänge
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit
  • Amplitude
  • Energie

• • dynamische Arbeitsblätter zur Erarbeitung der Grundbegriffe der Wellenlehre
  • Phasenzeiger einer Welle

• Dopplereffekt
  • Dopplereffekt anhören
  • Dopplereffekt erklärt
  • Dopplereffekt, Machkegel und Überschall

• Überlagerung (Interferenz) von Wellen
  • wikipedia: Interferenz
  • Einfache Überlagerung
  • Videos von Wassertropfen und Wasserwellen
  • Applet mit Interferenz zweier Kreis- oder Kugelwellen
  • Applet, das eine Wellenwanne simuliert. Beeindruckend!
  • Zwei Quellen Interferenz

• Stehende Wellen
  • Orgelpfeifen, Blasinstrumente
  • Applet mit Erklärung durch Überlagerung mit der reflektierten Welle
  • Applet mit stehenden Längswellen in Musikinstrumenten
  • Applets aus der Strömungsmechanik

Elektromagnetische Wellen

• Radio: Sender-Empfänger

• Hertzscher Dipol
  • Animation der elektrischen und magnetischen Feldstärken

• Verknüpfung elektrischer und magnetischer Wechselfelder

• Mikrowellen
  • Experimente mit der Haushaltsmikrowelle
  • Noch mehr Experimente...

Licht

• Übersicht und Sammlung bisherigen Wissens
  • Wellen- kontra Teilchenmodell
  • Farben
  • Lichtgeschwindigkeit
  • geometrische Optik

• Welleneigenschaften des Lichts
  • Hygensches Prinzip
  • Beugungs- und Interferenzerscheinungen

• Teilcheneigenschaften des Lichts
  • Fotoeffekt

• Erzeugung von Licht (Lampen)
  • Glühlampen (heiße Körper)
  • leuchtende Gase
  • LASER

Quanten- und Atomphysik

• Doppelspaltexperiment
  • Das Photon am Doppelspalt; Teilchen oder Welle?

• Beschreibung von Teilchen mit Wellenfunktionen
  • Aufenthaltswahrscheinlichkeit
  • Superposition

• Elektronenbeugung

• Das Unschärfeprinzip
  • Heisenbergsche Unschärferelation

• Atommodelle
  • Energiesprünge
  • Elektronium/Orbitale
  • 3D-Animation eines Atommodells
  • Der Quantensprung
  • Programme zur Simulation des Wasserstoffatoms herunterladen

Links

• Grundlagen der Teilchenphysik Physikdidaktik der Uni Erlangen

Einführung

• Was ist Physik?

Experimentell-induktives Vorgehen am Beispiel einer Schwingung

• Experimentelle Untersuchung einer Schaukel
• Messunsicherheit und Fehlerrechnung

Theoretisch-deduktives Vorgehen am Beispiel der Energie

Wiederholung und Vertiefung des Wissens aus Klasse 8-11.

• Energie
• Energie- und Energieträgerströme
• Aufgaben
• Praktikum: Bestimmung von Energie- und Entropiekapazität von Wasser und Wasserdampf

Verschiedene Methoden der Bewegungsuntersuchung

• Numerische Simulation eines Fadenpendels mit einer Tabellenkalkulation
• Bewegungsanalyse mit einem Stroboskop
• Bewegungsanalyse mit einem Video

Mechanik

Wiederholung in Stichworten von Klasse 8 bis 11

• Kinematik

Beschreiben von Bewegungen in einem gewählten Koordinatensystem.

• Fragen zur Kinematik
• Dynamik

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

• Die Kraft
• Kraft und Impuls
• Kraft und Energie
• Fragen zur Dynamik

Mechanische Schwingungen

Kinder beim Schaukeln

Mind map zu mechanischen Schwingungen. (freemind-Datei) vergrößern Mind map zu mechanischen Schwingungen. (freemind-Datei)

• Grundbegriffe und Beispiele von Schwingungen

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

• Die harmonische Schwingung
• Energie und Impuls einer Schwingung
• Experimentelle Untersuchung einer Schaukel
• Beschreiben der Bewegung einer harmonischen Schwingung mit der Zeigerdarstellung
• Die Differentialgleichung einer (un)harmonischen Schwingung
• Überlagerung von harmonischen Schwingungen
• Gedämpfte Schwingungen
• Energiezufuhr bei Schwingungen
• Aufgaben zu Schwingungen
• Links zu mechanischen Schwingungen
• Klausur Nr1 2st Nr2 st

Mechanische Wellen

Mind map zu Wellen. (freemind-Datei) vergrößern Mind map zu Wellen. (freemind-Datei)

• Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen
• Zeigermodell und Wellengleichung
• Interferenz
• Das Huygenssche Prinzip
• Reflektion und Brechung
• Beugung an Öffnungen und Hindernissen
• Dopplereffekt
• Stehende Wellen
• Aufgaben zu Wellen
• Links zu Wellen

Grundlagen über Felder

Mind map zu Feldern. (freemind-Datei) vergrößern Mind map zu Feldern. (freemind-Datei)

• Ziele der Feldtheorien
• Fern- und Nahwirkungstheorie
• Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)
• Graphische Darstellung von Feldern
• Dipole im Feld

Das Gravitationsfeld

• Feldstärke des Gravitationsfeldes
• Potential des Gravitationsfeldes
• Das Zentrale Gravitationsfeld
• Messung der Gravitationskonstanten mit der Drehwaage nach Cavendish
• Links zum Gravitationsfeld

Das elektrische Feld

• Elektrostatik Grundlagen
• Wiederholung elektrischer Grundbegriffe
• Der elektrische Stromkreis
• Untersuchung des elektrischen Feldes mit Dipolen (Grieskörnchenversuche)
• Feldstärke des elektrischen Feldes
• Potential des elektrischen Feldes
• Flächenladungsdichte, elektrische Feldkonstante und erste Maxwellsche Gleichung
• Das zentrale elektrische Feld
• Geladene Teilchen in elektrischen Feldern
• Das Oszilloskop
• Flächenladungsdichte, elektrische Feldkonstante und erste Maxwellsche Gleichung
• Der Kondensator
• Die Energie des elektrischen Feldes
• Messen der Elementarladung (Millikanversuch)
• Aufgaben zum elektrischen Feld

Magnetisches Feld

• Grundlagen des magnetischen Feldes

Mind map zum Magnetfeld. (freemind-Datei) vergrößern Mind map zum Magnetfeld. (freemind-Datei)

• Untersuchen des magnetischen Feldes
• Felderzeugung durch Magnetisierung (4st)
• Material im magnetischen Feld (4st)
• Felderzeugung durch elektrische Ströme
• Die magnetische Feldstärke
• Messung der magnetischen Ladung (4st)
• Lorentzkraft
• Der Halleffekt
• Ladungen im magnetischen Feld
• Fragen zur Klausur über Kondensator und Magnetfeld
• Links zum Magnetfeld

Elektro-Magnetismus

• Das Induktionsgesetz und die magnetische Flussdichte
• Praktikum: Induktion
• Selbstinduktion
• Energieübertragung durch Induktion: Lenzsche Regel und Wirbelstrombremse
• Die Energie des magnetischen Feldes
• Praktikum: Drahtlose Energieübertragung
• Die Maxwellschen Gleichungen
• Aufgaben zum Elektro-Magnetismus

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

• Der elektrische Schwingkreis
• Mathematische Beschreibung von Schwingkreisen
• Energiezufuhr bei Schwingkreisen
• Der Tesla-Transformator
• Elektromagnetische Wellen
• Versuche mit Mikrowellen
• Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in Medien
• Polarisation einer elektro-magnetischen Welle
• Versuche mit dem Mikrowellenherd

Licht

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

Die Welleneigenschaften des Lichts

• Messung der Lichtgeschwindigkeit
• Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)
• der Einfachspaltversuch
• Optische Gitter
• Die CD als Reflektionsgitter
• Interferenz an einer Seifenhaut (dünne Schicht)
• Berechnung von Intensitäten der Interferenzmuster mit Zeigern (Cornu-Spirale)
• Die Kohärenz von Licht
• Polarisation von Licht
• Brechung von Licht
• Das Auflösungsvermögen von optischen Geräten
• Das Michelson Interferometer
• Aufgaben zur Klausur (Maxwell, el-magn Wellen, Mikrowellen, Licht)
• Klausur zu elektromagnetischen Wellen und Licht

Grundlagen der Quantentheorie

Licht als Teilchen

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

Welleneigenschaften von Teilchen

• Materiewellen nach de Broglie

Quantentheorie nach Schrödinger (Wellenfunktion) und Feynman (Pfadintegrale)

• Der Doppelspaltversuch mit Wellen und Teilchen
• Ein-Teilchen-Experimente
• Zustandsfunktion, Superpositionsprinzip und Wahrscheinlichkeitsinterpretation beim Doppelspalt (Zeigermodell)
• 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

Aufgaben zur Quantenphysik

• Aufgaben zur Quantentheorie
• Klausur zur Quantentheorie
• Fragen zur Wellen- Teilchen- und Quantentheorie

Etwas Philosophie und Geschichte

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

Links

• Links zur Quantentheorie

Atomphysik und die Schrödingergleichung

• Kurzer geschichticher Abriss der Atommodelle
• 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

Chaostheorie

• Einführung in die Chaostheorie
• Das chaotische Drehpendel
• Das chaotische Magnetpendel
• Das chaotische Doppelpendel
• Diskrete dynamische Systeme