Tagebuch eines Physik-LK (Niedersachen)
Zu diesem Thread:
Vor ein paar Tagen kam mir die Idee meine Unterlagen aus dem LK in den PC einzugeben und mir so eine übersichtliche Sammlung über die verschiedenen Themen anzulegen.
Das jedoch für mich zu behalten wäre ungenutztes Wissen und so werde ich meine diesen Thread parallel zu unserem Unterricht ergänzen, so dass hier ein hübsches Nachschagewerk für andere Physik-Schüler entsteht. Anregungen, Kritik und Geldgeschenke sind ausdrücklich erwünscht :p
1. Grundlegendes zur Wissenschaft Physik
1.1 Einführung
Physik kann nicht rein deduktiv (von wenigen Grundregeln abgeleitet) ermittelt werden, weil:
a) wir nicht alle Naturgesetze kennen.
b) Formulierungen häufig ungewohnt und abstrakt wird, so dass höhere Mathematik erforderlich ist.
Das bisherige Wissen ist nur eine Annäherung!
Grundprinzip von Wissenschaft
Der Prüfstein allen Wissens ist das Experiment! Die Vorstellungskraft eines Menschen bringt „Gesetze“ hervor, die in anschließenden Experimenten überprüft werden.
Naturgesetze sind Näherungen. Wir finden erst die „falschen“, dann die „richtigen“.
Beispiel: Masse
(1) Masse ist unabhängig von der Geschwindigkeit
(2) Je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Masse.
Hat ein Körper die Geschwindigkeit v < 160 m/s so bleibt die Masse bis auf 1/1.000.000 konstant.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist Gesetz (1) eine gute Näherung. Vom Philosophischen her ist dieses Gesetz jedoch nicht korrekt.
Das hat Auswirkungen auf die Schlußfolgerung.
1.2 Materie besteht aus Atomen
Der grundlegenste Lehrsatz (oder zumindest einer davon) ist die Atomhypothese:
„Alles besteht aus Atomen, die sich fortwährend bewegen, einander anziehen und abstoßen, wenn sie zu dicht zusammen gedrängt sind.
Beispiel: Betrachtung eines Wassertropfens:
Wassertropfen (6mm Seitenlänge): Klares Wasser ist erkennbar
2.000fache Vergrößerung (12m Seitenl.): Pantoffeltierchen werden sichtbar
4*10^6fache Vergr. (24km Seitenl.): Ein „Gewimmel“ ähnlich beim Betrachten eines Stadions aus der Luft wird erkennbar.
10^9fache Vergr.
Anmerkung zur Zeichnung:
1. Teilchen stark vereinfacht
2. Zweidimensional
3. Momentanaufnahme
4. Teilchen ziehen und zerren aneinander.
Die Atome haben einen Durchmesser von 1-2 Ångström
1 Ångström = 10-10m
Wenn ein Apfel auf die Größe der Erde vergrößert werden würde, währen die Apfelatome so groß wie der ursprüngliche Apfel!
Die ruckartigen Bewegungen der Atome bezeichnet man als thermische Bewegung. Ein Mass dafür ist die Temperatur.
Die zwischen zwei Stoffen übertragende thermische Bewegung wird als Wärme bezeichnet.
Wasserdampf
Eis
Eis hat eine offene Struktur, d.h. Löcher, die für eine geringere Dichte sorgen als beim Wasser.
Eigentlich brauchen die Atome beim Schmelzen eines Stoffes mehr Raum für ihre Bewegungen -> Ausdehnung, Verringerung der Dichte.
Eine offene Struktur wie Wasser/Eis bricht jedoch in sich zusammen.
-> Vergrößerung der Dichte beim Schmelzen.
Am absoluten Nullpunkt (-273°C = 0 K) stehen die Atome fast still. Diese geringe Bewegung reicht jedoch nicht aus um eine Substanz zum Schmelzen zu bringen.
Ausnahme: Helium gefriert nicht am absoluten Nullpunkt, außer man übt zudem einen sehr großen Druck aus.
Um ein Gas einzuschließen muß man Druck ausüben. Die Atome üben dabei mittels ihrer Zusammenstöße mit dem Kolben eine Kraft auf die Kolbenfläche aus.
Dabei sind Kraft und Kolbenfläche proportional.
Druck = Kraft / Fläche
Bei der Verdopplung der Anzahl der Atome verdoppeln sich die Zusammenstöße – also die Kraft und somit verdoppelt sich der Druck.
-> Dichte ~ Druck
Bei Temperaturerhöhung prallen die Atome schneller, also mit erhöhter Kraft auf den Kolben: Der Druck steigt.
Beim Runterdrücken des Kolbens werden die Teilchen zusätzlich beschleunigt. Nach dem Aufprall sind die Teilchen also wärmer als vorher.
Wenn ein Gas langsam komprimiert wird, steigt die Temperatur; bei langsamer Ausdehnung nimmt sie ab.
1.3 Atomare Prozesse
Wasser verdunstet.
-> Es wird im Glas weniger
-> Es wird kälter, da gerade die Moleküle mit etwas größerer Energie das Wasser an der Oberfläche verlassen.
Damit Wasser verdunstet und abkühlt, sollte man pusten. So werden die Teilchen mit größerer Energie davon getragen.
Damit Wasser gerade nicht verdunstet und seine Temperatur möglichst lange behält: Deckel auf's Glas.
Von außen betrachtet: Die Temperatur bleibt nahezu erhalten. Das Wasser verdunstet nicht. Es ist ein statischer Vorgang zu beobachten („Es passiert nichts“)
Von Innen betrachtet: Es findet fortwährend ein Austausch von Wasser- und Luftmolekülen statt. Es ist ein dynamisches Phänomen („Es passiert ständig etwas“)
Warum „explodiert“ eine original verschlossene Mineralwasserflasche manchmal beim Öffnen?
Die Flasche wurde geschüttelt oder erwärmt:
- Die Gasmoleküle erhalten mehr Energie und sammeln sich vermehrt im Gasraum.
-> Der Druck steigt.
- Beim Öffnen verlassen die Gasmoleküle vermehrt den Gasraum. Gas und Wasserdampf werden praktisch entfernt.
-> Das Gleichgewicht ist gestört.
- Gasmoleküle verlassen das Mineralwasser schneller als andere aufgenommen werden.
-> Blasenbildung / „Überschäumen“
Woher weiß man, dass es Atome gibt?
Allgemein: Man stellt eine Hypothese auf („Es gibt Atome!“) und kommt nachfolgend zu Ergebnissen (durch Experimente) die mit den gemachten Voraussagen übereinstimmen.
Eine Kugel, die ins Wasser geworfen wird, bewegt sich ständig auf Grund atomarer Zusammenstöße.
