Physik

Materie kommt in drei Hauptaggregatzuständen vor: fest, flüssig und gasförmig. Durch Energiezufuhr oder -abgabe können Stoffe zwischen diesen Zuständen wechseln (Phasenübergänge). Während dieser Übergänge bleibt die Temperatur konstant.

Das Archimedische Prinzip besagt, dass ein Körper, der in ein Fluid eingetaucht ist, eine Auftriebskraft erfährt, die gleich dem Gewicht des verdrängten Fluids ist. Dieses Prinzip erklärt das Schwimmen, Sinken und Schweben.

Dichte ist eine Eigenschaft eines Materials, die angibt, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist. Sie wird mit der Formel ρ = m/V berechnet. Stoffe mit geringerer Dichte als Wasser schwimmen.

Druck ist die Kraft pro Flächeneinheit. Fluide (Flüssigkeiten und Gase) übertragen Druck in alle Richtungen. Das Pascalsche Gesetz ermöglicht hydraulische Maschinen wie Hebebühnen.

Einfache Maschinen machen Arbeit einfacher, indem sie Kraft umlenken oder vergrößern. Sie verringern die Kraft auf Kosten einer größeren Strecke. Die verrichtete Arbeit bleibt gleich (Energieerhaltung).

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird nur von einer Form in eine andere umgewandelt. Bei mechanischen Systemen gilt: die Summe aus kinetischer und potentieller Energie bleibt (bei reibungsfreier Bewegung) konstant.

Weißes Licht besteht aus einem Gemisch aller Farben des sichtbaren Spektrums. Farben entstehen durch Absorption und Reflexion bestimmter Wellenlängen. Additive Farbmischung kombiniert Licht, subtraktive Mischung kombiniert Farben (Pigmente).

Flaschenzüge sind einfache Maschinen, die Kräfte umlenken oder verringern. Feste Flaschenzüge ändern die Kraftrichtung. Bewegliche Flaschenzüge halbieren die benötigte Kraft. Flaschenzugsysteme kombinieren beide und ermöglichen noch größere Kraftverstärkung.

Elektrizität entsteht durch den Fluss elektrischer Ladungen. Die grundlegenden Größen sind Stromstärke, Spannung und Widerstand, die durch das Ohmsche Gesetz verknüpft sind. Elektrische Leistung wird durch das Produkt von Spannung und Stromstärke berechnet.

Kinematik beschreibt Bewegung mithilfe von fünf Größen (s, u, v, a, t). Die vier kinematischen Gleichungen (SUVAT) ermöglichen es, jede Bewegungsgröße aus den anderen zu berechnen, sofern die Beschleunigung konstant ist.

Elektrische Leiter ermöglichen den Durchfluss von Strom, während Nichtleiter (Isolatoren) dies verhindern. Metalle leiten gut, da sie freie Elektronen besitzen. Das Verständnis dieses Unterschieds ist grundlegend für Stromanwendungen und Sicherheit.

Durchschnittsgeschwindigkeit beschreibt, wie weit ein Objekt pro Zeiteinheit zurückgelegt hat. Sie wird durch Division der Gesamtstrecke durch die Gesamtzeit berechnet und ist eine skalare Größe.

Leistung gibt an, wie schnell Energie übertragen oder Arbeit verrichtet wird. Sie wird in Watt (W) gemessen. Maschinen mit höherer Leistung vollbringen dieselbe Arbeit in kürzerer Zeit.

Wärme fließt stets vom wärmeren zum kälteren Körper. Dies geschieht durch drei Mechanismen: Wärmeleitung (durch Kontakt), Konvektion (durch Strömungen) und Wärmestrahlung (durch elektromagnetische Wellen).

Licht breitet sich gradlinig aus und kann Schatten werfen, wenn es auf ein undurchsichtiges Objekt trifft. Licht benötigt kein Medium und bewegt sich im Vakuum mit c = 3 × 10⁸ m/s. Die Schattenbereiche Kernschatten (Umbra) und Halbschatten (Penumbra) entstehen bei ausgedehnten Lichtquellen.

Magnete erzeugen Magnetfelder, die andere magnetische Materialien anziehen oder abstoßen. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Elektromagnete erzeugen durch elektrischen Strom ein Magnetfeld, das ein- und ausgeschaltet werden kann.

Newtons drei Bewegungsgesetze beschreiben Trägheit, die Beziehung zwischen Kraft und Beschleunigung sowie Wechselwirkungspaare. Das zweite Gesetz (F = ma) ist das wichtigste Werkzeug zur Lösung von Kräfteproblemen.

Licht breitet sich geradlinig aus. Wenn es auf Oberflächen trifft, kann es reflektiert (Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel) oder gebrochen (Brechungsgesetz nach Snellius) werden. Diese Phänomene erklären Spiegel, Linsen, und Totalreflexion.

Elektrische Bauteile können in Reihe (hintereinander) oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden. Jede Schaltungsart hat andere Eigenschaften bei Spannung, Strom und Widerstand.

Schall ist eine mechanische Longitudinalwelle, die ein Medium benötigt. Wellen übertragen Energie, nicht Materie. Schlüsseleigenschaften sind Amplitude, Frequenz, Wellenlänge und die Wellenformel v = f·λ.

Schwerkraft ist die attraktive Kraft zwischen Massen. Auf der Erde zieht sie alle Objekte mit g ≈ 10 N/kg nach unten. Gewichtskraft (W = m × g) ist die Kraft durch Schwerkraft auf eine Masse, während Masse unveränderlich ist.

Statische Elektrizität entsteht durch Ladungstrennung, meist durch Reibung. Objekte, die Elektronen aufnehmen, werden negativ geladen, solche, die Elektronen abgeben, positiv. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.

Temperatur misst die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen. Wärme ist Energie, die aufgrund einer Temperaturdifferenz fließt. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen.