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Grundwissen Physik
(8. Klasse)
1 Energie
1.1 Energieerhaltungssatz
Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System ist die Gesamt- energie konstant.
1.2 Goldene Regel der Mechanik
Goldene Regel der Mechanik: Bei einem Kraftwandler sind im Idealfall Kraft und Weg zueinander indirekt proportional. Das Produkt aus Kraft und Weg ist also konstant.
1.3 Verschiedene Arten mechanischer Energie
Höhenenergie: Eh = FG h = m g h Eh Höhenenergie (Spezialfall der potentiellen Energie); Einheit [Eh] = 1 Joule = 1 J FG Gewichtskraft (Betrag); Einheit N h Höhe; Einheit m m Masse; Einheit kg g Fallbeschleunigung (Ortsfaktor); für Mitteleuropa g = 9, (^81) sm 2 = 9, (^81) kgN
Bemerkung: 1 N · 1 m = 1 Nm = 1 J; 1 kg · (^1) sm 2 · 1 m = 1 kg m
2 s^2 = 1 J
Spannenergie einer Feder:
Esp =
D
s^2
Esp Spannenergie der Feder (Spezialfall der potentiellen Energie); Einheit [Esp] = 1 Joule = 1 J D Federkonstante (Federhärte); Einheit (^) mN s Dehnung (Längenänderung) der Feder; Einheit m
Bemerkung: 1 N m · (1 m)^2 = 1 Nm = 1 J
Kinetische Energie (Bewegungsenergie):
Ek = m 2
v^2
Ek kinetische Energie (Bewegungsenergie); Einheit [Ek] = 1 Joule = 1 J m Masse; Einheit kg v Geschwindigkeit; Einheit m s
Bemerkung: 1 kg ·
( 1 m s
) 2 = 1 kg m 2 s^2 = 1 J
1.4 Arbeit
Arbeit: Die Energie, die einem Körper (einem System) aufgrund einer Kraft zugeführt oder entzogen wird, nennt man Arbeit (W).
Arbeit: W = |E 2 − E 1 |
W Arbeit; Einheit [W] = 1 Joule = 1 J E 1 Energie des Körpers (des Systems) vorher; Einheit J E 2 Energie des Körpers (des Systems) nachher; Einheit J
Arbeit: W = F s W Arbeit; Einheit [W] = 1 Joule = 1 J F Kraft (konstant, in Richtung des Weges); Einheit N s Weg; Einheit m
Bemerkung: 1 N · 1 m = 1 Nm = 1 J
2 Aufbau der Materie und Wärmelehre
2.1 Aggregatzustände
Aggregatzustand fest flüssig gasförmig Dichte groß ziemlich groß klein Volumen schwer zu ändern schwer zu ändern Anpassung an Gefäß Form schwer zu ändern Anpassung an Gefäß Anpassung an Gefäß Teilchenabstand klein ziemlich klein groß Teilchenbewegung (Wärmebewegung)
Schwingungen um Gleichgewichtslage
Verschiebungen benach- barter Teilchen
meist freie Bewegung, gelegentliche Zusammen- stöße
2.2 Übergänge zwischen den Aggregatzuständen
fest flüssig^ gasförmig
Schmelzen
Erstarren
Verdampfen
Kondensieren
Bemerkung 1: Diese Übergänge finden bei bestimmten Temperaturen statt. Beispielsweise erfolgt das Schmelzen von Eis bzw. das Erstarren (Gefrieren) von Wasser bei 0 ◦C. Die Temperatur für das Sieden von Wasser bzw. das Kondensieren von Wasserdampf beträgt auf Meereshöhe 100 ◦C.
Bemerkung 2: Der Begriff „Verdampfen“ kann eine vollständige Umwandlung flüssig −→ gasförmig bei einer bestimmten Temperatur bedeuten (Sieden) oder eine teilweise Umwandlung bei einer niedrigeren Temperatur (Verdunsten).
Bemerkung 3: Unter bestimmten Voraussetzungen kommen auch direkte Übergänge zwischen fest und gasförmig (Sublimieren) und umgekehrt (Resublimieren) vor.
2.3 Temperatur
Temperatur: Die Temperatur ϑ ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Einheit: [ϑ] = 1Grad Celsius = 1◦C
2.4 Absolute Temperatur
Absolute Temperatur: Die absolute Temperatur T (in Kelvin) ist zahlenmäßig um 273 (genaugenommen 273,15) höher als die „nor- male“ Temperatur ϑ (in Grad Celsius).
2.5 Innere Energie
Innere Energie: Die innere Energie Ei ist die Summe aus potentieller und kinetischer Energie der Teilchen. Einheit: [Ei] = 1 Joule = 1 J
Erhöhung der inneren Energie durch Reibungsarbeit: ∆Ei = WR = FRs
∆Ei Änderung der inneren Energie; Einheit J WR Reibungsarbeit; Einheit J FR Reibungskraft; Einheit N s Strecke; Einheit m
Änderung der inneren Energie durch Temperaturänderung: ∆Ei = c m ∆ϑ ∆Ei Änderung der inneren Energie; Einheit J c spezifische Wärmekapazität; Einheit (^) kg KJ m Masse; Einheit kg ∆ϑ Temperaturänderung; Einheit K
Bemerkung: Bei Temperaturerhöhung vergrößert sich die innere Energie, bei Temperaturernied- rigung verringert sie sich.
Änderung der inneren Energie beim Schmelzen bzw. Erstarren: ∆Ei = s m ∆Ei Änderung der inneren Energie; Einheit J s spezifische Schmelzwärme; Einheit (^) kgJ m Masse; Einheit kg
Bemerkung: Beim Schmelzen erhöht sich die innere Energie, beim Erstarren verringert sie sich.
Änderung der inneren Energie beim Verdampfen bzw. Kondensieren: ∆Ei = v m ∆Ei Änderung der inneren Energie; Einheit J v spezifische Verdampfungswärme; Einheit (^) kgJ m Masse; Einheit kg
Bemerkung: Beim Verdampfen erhöht sich die innere Energie, beim Kondensieren verringert sie sich.
Verhältnis der Teilspannungen bei Serienschaltung: U 1 : U 2 = R 1 : R 2 U 1 , U 2 Teilspannungen (Spannungsabfälle); Einheit V R 1 , R 2 Teilwiderstände; Einheit Ω
3.3 Parallel- (Nebeneinander-)Schaltung mehrerer Widerstände
Bemerkung: Die folgenden Gesetze sind für zwei Widerstände formuliert, lassen sich aber mit einer Ausnahme problemlos auf den Fall von drei oder mehr Widerständen übertragen.
Spannung bei Parallelschaltung: U = U 1 = U 2 U Spannung der Stromquelle; Einheit V U 1 , U 2 Spannungen (Spannungsabfälle) an den einzelnen Widerständen; Einheit V
Stromstärke bei Parallelschaltung: I = I 1 + I 2 I Gesamtstromstärke (Stromquelle); Einheit A I 1 , I 2 Stromstärke in den einzelnen Widerständen; Einheit A
Widerstand bei Parallelschaltung: 1 R
R 1
R 2
R Ersatzwiderstand; Einheit Ω R 1 , R 2 Einzelwiderstände; Einheit Ω
Ersatzwiderstand bei Parallelschaltung:
R =
R 1 R 2
R 1 + R 2
R Ersatzwiderstand; Einheit Ω R 1 , R 2 Einzelwiderstände; Einheit Ω
Bemerkung: Diese Formel lässt sich nicht auf drei oder mehr Widerstände übertragen.
Verhältnis der Teilstromstärken bei Parallelschaltung:
I 1 : I 2 =
R 1
R 2
I 1 , I 2 Teilstromstärken; Einheit A R 1 , R 2 Einzelwiderstände; Einheit Ω
3.4 Ladung und Stromstärke
Ladung: Die elektrische Ladung Q ist eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Es gibt zwei verschiedene Ladungsarten, die als positiv und negativ bezeichnet werden. Einheit: [Q] = 1 Coulomb = 1 C
Zusammenhang zwischen Ladung und Stromstärke:
I =
Q
t I Stromstärke (konstant); Einheit [I] = 1 Ampere = 1 A Q Ladung; Einheit C t Zeit; Einheit s
Bemerkung: 1 C s = 1 A
Elementarladung: Alle in der Natur frei vorkommenden Ladungen sind ganz- zahlige Vielfache der Elementarladung e = 1, 6 · 10 −^19 C. Elektronen haben die Ladung −e, Protonen die Ladung +e.
3.5 Elektrische Energie und elektrische Leistung
Elektrische Energie (Arbeit):
Eel = Q U = U I t = R I^2 t =
U^2
R
t
Eel elektrische Energie (Arbeit); Einheit [Eel] = 1 Joule = 1 J Q Ladung; Einheit C U Spannung; Einheit V I Stromstärke; Einheit A R Widerstand; Einheit Ω t Zeit; Einheit s
Bemerkung 1: 1 C · 1 V = 1 J; 1 V · 1 A · 1 s = 1 J; 1 Ω · (1 A)^2 · 1 s = 1 J;
(1 V)^2
· 1 s = 1 J
Bemerkung 2: 1 kWh = 1 kW · 1 h = 1000 W · 3600 s = 3 600 000 Ws = 3 600 000 J
4 Druck und Auftrieb (Profilbereich NTG)
Druck:
p =
F
A
p Druck; Einheit [p] = 1 Pascal = 1 Pa F Kraft (Betrag); Einheit N A Fläche; Einheit m^2
Bemerkung: (^1) mN 2 = 1 Pa
Schweredruck in einer Flüssigkeit: p = ̺ g h p Schweredruck; Einheit [p] = 1 Pascal = 1 Pa ̺ Dichte der Flüssigkeit; Einheit (^) mkg 3 g Fallbeschleunigung (Ortsfaktor); für Mitteleuropa g = 9, 81 m s 2 = 9, (^81) kgN h Tiefe; Einheit m
Bemerkung: (^1) mkg 3 · (^1) kgN · 1 m = 1 (^) mN 2 = 1 Pa
Auftriebskraft (Gesetz des Archimedes): Die Auftriebskraft ist so groß wie das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit bzw. des verdrängten Gases.
Ft; letzte Änderung 27. September 2010
