Physik

Jeder elektrische Stromkreis besteht aus Bauteilen wie Drähten, Batterien, Glühbirnen, Schaltern und Widerständen. Jedes Bauteil hat ein genormtes Symbol, das in Schaltplänen verwendet wird. Die Kenntnis dieser Symbole ermöglicht es, Schaltkreise richtig zu lesen und zu zeichnen.

Elektrische Leistung gibt an, wie schnell Energie in einem Stromkreis übertragen wird. Sie wird mit P = IV berechnet (Leistung gleich Stromstärke mal Spannung). Elektrische Energie ist einfach die Leistung multipliziert mit der Zeit, gemessen in Joule oder Kilowattstunden.

Strom kann gefährlich sein, wenn er falsch verwendet wird. Schutzeinrichtungen wie Sicherungen, Leitungsschutzschalter und Erdung schützen Menschen und Geräte vor Schäden. Das Verständnis dieser Schutzmaßnahmen hilft, Unfälle zu Hause und in der Schule zu verhindern.

Die Beziehung zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand in elektrischen Stromkreisen.

In einer Parallelschaltung sind die Bauteile an denselben zwei Punkten angeschlossen, was mehrere Wege für den Strom bietet. Die Spannung ist an allen Zweigen gleich, aber die Stromstärken addieren sich.

In einer Reihenschaltung sind alle Bauteile hintereinander in einer einzigen Schleife verbunden. Durch jedes Bauteil fließt die gleiche Stromstärke, aber die Spannungen addieren sich.

Elektrische Stromstärke ist der Fluss elektrischer Ladung durch einen Stromkreis, gemessen in Ampere (A). Spannung (Potentialdifferenz) ist die Energie, die jeder Ladungseinheit von der Batterie mitgegeben wird, gemessen in Volt (V). Das Ohmsche Gesetz verbindet Stromstärke, Spannung und Widerstand.

Studie der elektrischen Ladung, des Stroms, der Schaltungen und der Magnetfelder sowie ihrer Wechselwirkungen.

Magnete haben zwei Pole – Nord und Süd. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Jeder Magnet ist von einem Magnetfeld umgeben, das mit Feldlinien dargestellt werden kann. Magnetfelder können durch elektrische Ströme in einem Draht erzeugt werden (Elektromagnetismus).

Ein in eine Flüssigkeit eingetauchter Körper erfährt eine nach oben gerichtete Auftriebskraft, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist.

Wie man die Dichte berechnet und das Archimedische Prinzip anwendet, um zu bestimmen, ob Körper schwimmen oder sinken.

Wie sich Kräfte überlagern, was ausgeglichene Kräfte für die Bewegung bedeuten und wie man Kräftediagramme zeichnet.

Ein Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft um einen Drehpunkt. Es wird berechnet, indem die Kraft mit dem senkrechten Abstand vom Drehpunkt multipliziert wird. Damit ein Körper im Gleichgewicht (ausgeglichen) ist, muss die Summe der Drehmomente im Uhrzeigersinn gleich der Summe der Drehmomente gegen den Uhrzeigersinn sein.

Der Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft und wie man die Gravitationskraft berechnet.

Der Impuls ist ein Maß dafür, wie schwer es ist, einen bewegten Körper zu stoppen. Er hängt sowohl von der Masse als auch von der Geschwindigkeit ab. Der Impuls ist in einem geschlossenen System immer erhalten – der Gesamtimpuls vor einem Stoß ist gleich dem Gesamtimpuls danach.

Newtons drei Gesetze bilden die Grundlage der klassischen Mechanik und beschreiben, wie sich Körper unter dem Einfluss von Kräften bewegen.

Reibung ist eine Kraft, die der Relativbewegung zwischen sich berührenden Oberflächen entgegenwirkt. Lerne über Haft- und Gleitreibung.

Die Schwerkraft ist eine anziehende Kraft zwischen allen Körpern mit Masse. In der Nähe der Erdoberfläche zieht die Schwerkraft Körper mit einer Gravitationsfeldstärke von etwa 10 N/kg nach unten. Die Gewichtskraft ist die Gravitationskraft auf einen Körper und wird mit W = mg berechnet. Gewichtskraft und Masse sind verschiedene Größen.

Materie liegt als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas vor. Das Teilchenmodell erklärt die Eigenschaften jedes Aggregatzustands. Feststoffe haben eine feste Form und ein festes Volumen; Flüssigkeiten fließen, haben aber ein festes Volumen; Gase füllen ihren Behälter. Zustandsänderungen sind mit Energieübertragungen verbunden.

Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen. Verschiedene Materialien benötigen unterschiedliche Energiemengen zum Aufheizen. Die Formel Q = mcΔT verbindet Energie, Masse, spezifische Wärmekapazität und Temperaturänderung.

Temperatur misst, wie heiß oder kalt etwas ist. Wissenschaftler verwenden die Kelvin-Skala, die beim absoluten Nullpunkt beginnt, während der Alltag Celsius verwendet. Die Umrechnung zwischen beiden erfordert das Addieren oder Subtrahieren von 273.

Die meisten Materialien dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Dies nennt man Wärmeausdehnung, und es geschieht, weil die Teilchen bei höheren Temperaturen stärker schwingen.

Die drei Methoden der Wärmeübertragung – Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung – mit Alltagsbeispielen.

Studie von Bewegung, Kräften, Energie und wie Objekte interagieren, was die Grundlage für das Verständnis der physischen Welt bildet.

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung, beschrieben durch kinematische Gleichungen, die Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Zeit verknüpfen.

Wie man die Durchschnittsgeschwindigkeit, Strecke und Zeit mit dem Geschwindigkeit-Strecke-Zeit-Dreieck berechnet.

Freier Fall ist die Bewegung unter dem alleinigen Einfluss der Schwerkraft, mit einer Beschleunigung von g = 9,81 m/s². Der schräge Wurf teilt die Bewegung in zwei unabhängige Komponenten auf — horizontal und vertikal.

Geschwindigkeit ist eine vektorielle Größe, die beschreibt, wie schnell ein Objekt und in welche Richtung es sich bewegt. Sie unterscheidet sich von der Schnelligkeit (als Betrag), die lediglich angibt, wie schnell ein Objekt ist, ohne Richtungsangabe.

Bei gleichförmiger Bewegung ist die Geschwindigkeit konstant und die Beschleunigung null. Das Objekt legt in gleichen Zeitintervallen gleiche Strecken zurück. Das Weg-Zeit-Diagramm zeigt eine gerade Linie mit konstanter Steigung.

Strecke ist die zurückgelegte Gesamtlänge des Wegs, unabhängig von der Richtung – sie ist eine skalare Größe. Verschiebung ist der geradlinige Abstand vom Start zum Ziel einschließlich Richtung – sie ist eine vektorielle Größe. Das Verständnis dieses Unterschieds ist in der Physik wesentlich.

Weg-Zeit-Diagramme stellen die Bewegung grafisch dar. Die Steigung einer Linie in einem Weg-Zeit-Diagramm ergibt die Geschwindigkeit. Horizontale Linien stehen für Stillstand, schiefe Linien für gleichförmige Bewegung und Kurven für Beschleunigung oder Verzögerung.

Druck ist die Kraft, die auf eine Flächeneinheit wirkt. Ein kleines Gewicht auf einer kleinen Fläche kann mehr Druck erzeugen als ein schweres Objekt auf einer großen Fläche. Das ist der Grund, warum Messerklingen scharf sind und Schneeschuhe das Einsinken verhindern.

Gasdruck entsteht durch Stöße der Gasmoleküle gegen die Wände eines Behälters. Das Boylesche Gesetz besagt: Bei konstanter Temperatur ist der Druck eines Gases umgekehrt proportional zu seinem Volumen — wenn man ein Gas komprimiert, steigt der Druck.

Fluide (Flüssigkeiten und Gase) üben Druck auf Objekte aus, die in sie eingetaucht sind. Dieser Druck hängt nur von der Tiefe, der Dichte der Flüssigkeit und der Schwerkraft ab — nicht von der Form oder dem Volumen des Behälters.

Luftdruck ist der Druck, den das Gewicht der Luft in der Atmosphäre ausübt. Auf Meereshöhe beträgt er etwa 101.325 Pa (1 atm). Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck, da sich weniger Luft darüber befindet.

Ein Hebel ist eine starre Stange, die sich um einen festen Punkt (den Drehpunkt) dreht. Je nach Anordnung von Drehpunkt, Last und Kraft können Hebel die benötigte Kraft verringern, die Strecke vergrößern oder beides — sie sind einfache Maschinen.

Eine schiefe Ebene ist eine geneigte Fläche, die als einfache Maschine den Aufwand verringert, um ein Objekt anzuheben. Durch das Verteilen der Arbeit über eine längere Strecke braucht man weniger Kraft.

Ein Flaschenzug ist eine einfache Maschine bestehend aus Seil(en) und Scheibe(n). Feste Flaschenzüge ändern die Richtung der Kraft, bewegliche Flaschenzüge halbieren die benötigte Kraft, und ein Flaschenzugsystem kombiniert beides.

Rad und Achse sind eine einfache Maschine, bei der ein großes Rad mit einer kleineren Achse verbunden ist. Wird Kraft am Rad aufgewendet, wird an der Achse eine größere Kraft erzeugt. Das Verhältnis der Radien bestimmt die mechanische Übersetzung.

Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft ein Objekt in ihrer Wirkungsrichtung bewegt. Der Arbeit-Energie-Satz besagt, dass die an einem Objekt verrichtete Nettoarbeit gleich der Änderung seiner kinetischen Energie ist.

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Die gesamte mechanische Energie (kinetische + potentielle) bleibt in einem abgeschlossenen System ohne Reibung konstant.

Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung. Sie hängt von der Masse und dem Quadrat der Geschwindigkeit ab. Verdopplungen der Geschwindigkeit vervierfachen die kinetische Energie.

Leistung gibt an, wie schnell Arbeit verrichtet oder Energie umgewandelt wird. Sie wird in Watt (W) gemessen, wobei 1 Watt gleich 1 Joule pro Sekunde ist. Eine Maschine mit höherer Leistung kann dieselbe Arbeit in kürzerer Zeit erledigen.

Gravitationspotentielle Energie (GPE) ist die gespeicherte Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Höhe besitzt. Sie wird durch die Formel GPE = mgh berechnet, wobei m die Masse, g die Fallbeschleunigung und h die Höhe über einem Referenzpunkt ist.

Studie der Wellenbewegung, des Lichtverhaltens und optischer Phänomene einschließlich Reflexion, Brechung und elektromagnetischem Spektrum.

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle Arten von elektromagnetischer Strahlung, von Radiowellen bis zu Gammastrahlung. Alle elektromagnetischen Wellen breiten sich mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus und benötigen kein Medium zur Ausbreitung.

Weißes Licht ist ein Gemisch aller Farben des sichtbaren Spektrums. Ein Prisma trennt es in seine Bestandteile auf. Die Farbe eines Objekts entsteht dadurch, welche Wellenlängen es reflektiert und welche es absorbiert.

Brechung tritt auf, wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht und dabei seine Geschwindigkeit ändert, was eine Richtungsänderung verursacht. Das Snellius'sche Brechungsgesetz beschreibt, wie stark das Licht gebrochen wird.

Linsen brechen Licht durch Refraktion und können es bündeln oder streuen. Sammellinsen (konvex) bündeln Parallel strahlen in einem Brennpunkt. Zerstreuungslinsen (konkav) lassen Parallelstrahlen divergieren. Beide werden in Brillen, Kameras und Teleskopen eingesetzt.

Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist, beide gemessen zur Normalen der reflektierenden Fläche. Dieses Gesetz gilt für alle glatten reflektierenden Oberflächen.

Spiegel reflektieren Licht nach dem Reflexionsgesetz. Ebene Spiegel erzeugen virtuelle, aufrechte und gleich große Bilder. Hohlspiegel bündeln Strahlen und können reelle oder virtuelle Bilder erzeugen. Wölbspiegel streuen Strahlen und liefern immer virtuelle, verkleinerte Bilder mit weitem Sichtfeld.

Totalreflexion tritt auf, wenn Licht versucht, von einem optisch dichteren Medium in ein dünneres zu wechseln, aber der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet. Das gesamte Licht wird dann reflektiert. Lichtleitfasern nutzen dieses Prinzip zur Übertragung von Daten.

Schall ist eine Longitudinalwelle, die sich durch Kompression und Ausdehnung eines Mediums ausbreitet. Er benötigt ein Medium und kann sich nicht im Vakuum ausbreiten. Tonhöhe hängt von der Frequenz ab, Lautstärke von der Amplitude.

Wellen übertragen Energie ohne Massentransport. Zu den Schlüsseleigenschaften gehören Amplitude, Wellenlänge, Frequenz und Periode. Die Wellengeschwindigkeit ergibt sich aus dem Produkt von Frequenz und Wellenlänge.