Die Themen des Physikunterrichts im Abschlussjahr werden sein:

1. Druck
2. Auftrieb
3. Radioaktivität
4. Eigenschaften der Energie, Energieformen und ihre Umwandlungen
5. Funktionsweise elektrischer Bauteile: Transistor, Halbleiterdiode, LED, Solarpanel ...
6. Bewegungen und ihre Gesetzmäßigkeiten

Wir haben gesehen, dass beim Eindrücken einer Reiszwecke ohne Spitze in Holz oder ein beliebiges anderes Material deutlich mehr Kraft erforderlich ist als mit einer unveränderten Reiszwecke mit intakter Spitze. Die aufgewendete Kraft wird bei intakter Spitze auf eine kleinere Fläche konzentriert und so ein hoher Druck erzeugt.

Druckangaben teilen uns mit wie stark eine Kraft auf eine Fläche wirkt:

Druck = Kraft / Fläche (N/m hoch 2 = Pa (Pascal)).

Untersuchungen zum Luftdruck

1) Die Größe eines Luftballons nimmt zu, wenn man ihn erwärmt, wenn die Umgebungsluft kalt und der Luftdruck unverändert bleibt.

2) Die Größe eines in einem Behälter befindlichen, etwas aufgeblasenen Luftballons nimmt zu, wenn man die Umgebungsluft absaugt.

3) Pumpt man aus zwei über eine Dichtung mit einander verbundenen Magdeburger Halbkugeln die Luft, so lassen sie sich nur mit äußerst großer Kraft trennen.

Wodurch entsteht z.B. der Luftdruck?

Film: Otto von Guericke und der Luftdruck

Film: Experiment zum Luftdruck

Die Experimente zeigen, dass der Luftdruck auf Gegenstände durch Stösse der kleinsten Teilchen der Luft beim Aufprall auf eine Hülle oder Wand wirkt. Bei erhöhter Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller und dadurch wird der ausgeübte Druck des Gases größer. Entfernt man die Luft in einem Behälter, so wirkt der Druck nun nur noch auf einer Seite ---> es wirkt nun eine Kraft von dieser Seite auf den Behälter.

Der Luftdruck unter Normbedingungen beträgt 101.300 Pa = 1.013 hPa. In alten Einheiten sind dies 1.013 mbar, 1,013 bar, 760 mm Hg oder 1 atm (Atmosphäre). Im angelsächsischen Raum wird in psi (pounds per square inch) gemessen.

Pa, bar, atm, psi, mm Hg ....   Hier lassen sich verschiedene Druckeinheiten leicht umrechnen.

Auf meiner letzten Flugreise habe ich die beiden oben gezeigten Fotos gemacht. Links: Der Kabinendruck während des Fluges auf über 10.000 m Höhe wird künstlich auf dem Druck in einer Flughöhe von ca. 2.500 m gehalten.

Rechts: Der Salat nach der Landung. 

Zusammenfassung Luftdruck (Leifi-Physik-Seite)

Druck in Flüssigkeiten

Auch Flüssigkeiten üben auf eingetauchte Körper einen Druck auf. Der wirkende Druck ist abhängig von der Dichte der Flüssigkeit und der Höhe der Flüssigkeitssäule, oder schlicht der Masse der Flüssigkeit über dem Gegenstand. Aufgrund der ca. 1.000-fach höheren Dichte gegenüber Gasen ist der Druck in Flüssigkeiten meist deutlich höher als bei Gasen.

Bei Wasser mit der Dichte 1 kg / L  ( = 1 g / ml ) herrscht in 1 m Tiefe im Schwimmbecken ein Druck von 10.000 N / Quadratmeter = 10.000 Pa = 100 hPa = 10 kPa. In 10 m Tiefe würden ohne den Luftdruck auf die Wasseroberfläche bereits 1.000 hPa herrschen, also soviel Druck wie die viele Kilometer dicke Erdatmosphäre erzeugt. In 10 km Tiefe im Ozean herrschen über 1 Million hPa Druck! Dies entspricht der Gewichtskraft von 100 Tonnen pro Quadratmeter oder 1 Tonne auf einer Fläche eines Quadrates mit 10 cm Seitenlänge. U-Boote für die Tiefsee haben daher Stahlwände mit einer Wandstärke von 12 cm um diesen enormen Druck zu widerstehen.

LINK: Grundwissen Druck / Alles zum Thema Druck (mit Aufgaben)

Auftrieb

Unsere Experimente zum Auftrieb haben gezeigt, dass die Größe der Auftriebskraft durch das Volumen des Körpers bestimmt wird. Die Auftriebskraft wirkt der Gewichtskraft entgegen und ist so groß wie die Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Letzteres hatte bereits der griechische Gelehrte ARCHIMEDES entdeckt.

Ist die Dichte eines Körpers geringer als die des ihn umgebenden Mediums, dann schwimmt er darin. Seine Eintauchtiefe wird vom Verhältnis seiner Dichte zum umgebenden Medium bestimmt. Die Dichte von Eis ist 0,917 g / ml, d.h. bei einem Eisberg befinden sich etwas mehr als 9/10 unter der Wasseroberfläche und nur ca. ein Zehntel oberhalb ----> Titanic!!

Die Beobachtungen mit Flüssigkeiten gelten auch für Gase und sind Grundlage des Ballonfahrens mit Helium, Wasserstoff oder heißer Luft.

Film zum Auftrieb

Animation / Interaktives Experiment zum Auftrieb

Grundwissen Auftrieb

1. Einführungsfilm: Henri Becquerel, Marie Curie und die Entdeckung der Radioaktivität 
2. Marie Curie: Eine äußerst beindruckende NaturwissenschaftlerIN !

Arbeitsblätter dazu:

• Entdeckung der Radioaktivität durch Becquerel http://www.zum.de/dwu/depot/pap101f.gif
• Marie Curie und die Eigenschaften der Radioaktivität: http://www.zum.de/dwu/depot/pap102fl.gif 

Übersicht über die Strahlungsarten:

•  Animation der verschiedenen Arten radioaktiver Strahlung
• Übersicht: Eigenschaften der unterschiedlichen radioaktiven Strahlungsarten http://www.zum.de/dwu/depot/pap104fl.gif

Der Unterschied zwischen Radioaktivität und Atomspaltung

Bei der Radioaktivität zerfallen SPONTAN instabile, übergroße/-schwere Atomkerne. Es gibt den alpha- und beta-Zerfall mit Teilchenstrahlung (ein zweifach geladener Heliumkern bzw. ein Elektron verlassen den Kern) und den gamma-"Zerfall" mit Abstrahlung von Energie. Im Gegensatz dazu ERZEUGT man in Kernkraftwerken und Atombomben eine durch Neutronenbeschuss und -absorption ausgelöste Atomspaltung des durch den Beschuss instabil gemachten Atomkerns. Hierbei entstehen zwei Fragmente (= zwei neue, deutlich kleinere Atome) aus dem ursprünglichen Atomkern. Deshalb spricht man auch von Atomspaltung !

Atome lassen sich spalten! Otto Hahn, Lise Meitner entdecken die Spaltung des nach herkömmlichen Wissenstands unteilbaren Atoms (Atom kommt dem von griechischen Wort "atomos" = unteilbar):

Film zur Entdeckung der Atomspaltung

Zum Thema Radioaktivität existieren Arbeitsblätter bei ZUM:

Arbeitsblatt Arten radioaktiver Strahlung: http://www.zum.de/dwu/depot/pap103fl.gif  und Eigenschaften der unterschiedlichen radioaktiven Strahlungsarten: http://www.zum.de/dwu/depot/pap104fl.gif

Erklärung der Halbwertszeit

ÜBUNG: Natürlicher Zerfall / Zerfallsreihe (interaktiv)

Erklärung wichtiger Fakten zur Radioaktivität gibt es auch hier im 

Video: Prof. Harald Lesch erklärt den Aufbau der Atome, die Radioaktivität, Strahlungsarten und was eine Halbwertszeit ist.

Aufbau eines Geiger-Müller-Zählrohrs: https://www.zum.de/dwu/pap108vs.htm

Vorführung der Funktion eines Geiger-Müller-Zählers: https://www.zum.de/dwu/vclips/vcpap108/vcpap108.htm

Update / Ergänzung

25) Du musst die Halbwertszeit anwenden können und z.B. die Menge der verbliebenen Aktivität eines radioaktiven Stoffes nach einer vorgegebenen Zeit ausrechnen können (eine Anwendung wie sie z.B. bei der Altersbestimmung der Gletscherleiche "Ötzi "gemacht wurde).

FILM: Von Otto Hahn und der ersten Kernspaltung zur Atombombe und Atomkraftwerken

LINKTIPP: Animation der Kernspaltung beim 235 Uran

Wie funktioniert eine Atombombe (Kernspaltungsbombe)?  (https://www.zum.de/dwu/depot/pke004f.gif)

Energieerzeugung mit Kernkraftwerken

Zwei Filme zum Aufbau und der Funktion von Kernkraftwerken, inklusive der gesteuerten Kernspaltung:

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Film I 

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Film II

Arbeitsblatt Aufbau eines Atomkraftwerkes

Was geschieht bei einem GAU (Größter anzunehmender Unfall)?

Protokoll der Ereignisse in Tschernobyl (Spiegel)

Zwei Filme: Was geschah in Tschernobyl? (Rekonstruktion der Ereignisse, die nachgespielt werden)

Der Kampf um Tschernobyl (Doku mit Originalaufnahmen und Interviews von Beteiligten)

Film mit einer Zusammenfassung der Ereignisse in Tschernobyl am 26.4.1986 (sehr gut und verständlich erklärend) https://www.youtube.com/watch?v=pjaoU3_4cj0

Allgemein verständlicher Artikel über Strahlung, Atomkraft etc.: STRAHLUNG- WAS IST DAS? Link zu einer Übersicht für Normalbürger in "Die Zeit"

Fukushima- Was geschah?

Fukushima: Was geschah - sehr einfach erklärt

Sehr gute Zusammenfassung und Erläuterung der Vorgänge (in Englisch) mit vielen Bildern

Fukushima - 10 Jahre danach

Animationen zu diesem Thema findet ihr hier.

Energieumwandlungen

Die Leiterschaukel (Animation zum Experiment), zweite Animation bei Leifi. Elektrischer Strom wird in diesem Experiment durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern in Bewegungsenergie umgewandelt. 

Mittels Magnetfeldern kann aus elektrischen Strom Bewegung erzeugt werden

Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Über die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eines Permanentmagneten, je nach Ausrichtung entstehen abstoßende oder anziehende Kräfte, kann man mit elektrischen Strom Bewegung erzeugen. Dies ist die Grundlage für den Bau von Elektromotoren und Generatoren. Die grundlegenden Erkenntnisse dazu wurden von Michael Faraday in wissenschaftlich tollen Experimenten erarbeitet.

Michael Faraday hat es gezeigt: bewegte elektrische Ladungen, also auch die bei elektrischen Strom fließenden negativen Elektronen, erzeugen ein Magnetfeld.. Die Richtung des Magnetfeldes und des Magnetfeldes erhält man mit der Linken Hand Regel. Für positiv geladene Teilchen nimmt man die Rechte Hand.

Magnetfeld und Lorentzkraft

Wozu ist das gut? Man kann mit diesem Wissen einen Elektromotor bauen! 

Wie funktioniert ein Elektromotor? (Animation)

Induktion: Bei Bewegung von Elektronen (z.B. die Elektronen einen Eisenstücks) im Magnetfeld eines Permanentmagnetes oder einer Spule entsteht durch Induktion elektrischer Strom (Animation).

Das geht aber auch umgekehrt: Aus elektrischen Strom kann über seinen magnetischen Effekt Bewegung erzeugt werden.

Wie funktioniert ein Induktionsherd? 

Ein sich durch sich ständig verändernde Magnetfelder erzeugter elektrischer Strom verursacht über den elektrischen Widerstand Wärme. Erklärfilm dazu

Ein sich drehender Magnet an einer Spule erzeugt Wechselstrom (Film).

Die Strommessung bei der Drehung eines Magneten nahe an einer Spule zeigt: Es entsteht Wechselstrom !!

Transformation von Strom

Oft hat Strom nicht die Eigenschaften, die gerade benötigt werden. Dann muss er umgewandelt werden. Dazu benutzt man Stromumwandler, so genannte Transformatoren. Transformatoren funktionieren aufgrund der Induktion. Das sich ständig verändernde Magnetfeld wird durch Wechselstrom erzeugt. 

Anwendungsbeispiele Transformator (Film)

Simply Physics Film zum Thema

Für den Transport von Strom transformiert man ihn auf große Spannungen. Warum eigentlich? Hoffentlich erinnert ihr Euch noch an das Ohmsche Gesetz!! Die Spannung U ist proportional zur Stromstärke I. Für größere Stromstärken braucht man also größere Spannungen.

Da genauer betrachtet  U = R mal I ist: Wenn der Widerstand R durch ein sehr langes Kabel relativ groß wird, muss auch U groß werden, sonst steht keine brauchbare Stromstärke I mehr zur Verfügung.

Die benötigten hohen Spannungen werden durch Transformatoren erreicht. Erhöht man die Spannung, so erniedrigt sich gleichzeitig übrigens die Stromstärke, denn das Produkt aus Spannung und Stromstärke ( = elektrische Leistung) bleibt bei diesen Umwandlungen des elektrischen Stroms konstant.

Diese niedrigen Stromstärken sind ein guter Nebeneffekt, weil größere Stromstärken viel dickere Kabel erfordern würden, da sonst durch den großen Widerstand wegen starker Erwärmung die Kabel durchbrennen würden. Am Zielort wird dann die hohe Spannung wieder heruntertransformiert. Dadurch wird gleichzeitig die Stromstärke wieder größer.

Transformator-Gesetze

Transport von elektrischer Energie:

https://dwu-unterrichtsmaterialien.de/depot/pem301k.gif ; Lösungsblatt

Vorbereitungsblatt für die Lernkontrolle

2. Halbjahr

Halbmetalle / Halbleiter

Silizium und Germanium sind Beispiele für Halbleiter. Im Gegensatz zu normalen Metallen sinkt ihre Leitfähigkeit nicht bei Temperaturerhöhung, sondern sie erhöht sich!

Noch besser ist sie bei so genannten dotierten Halbleitern, z.B. bei mit Phosphor verunreinigten (dotierten) Silizium. Mehr dazu im Buch auf S. 364 und 365 und im Film Halbleiter / Halbmetalle!

LINKTIPPS

Film über Halbleiter / Halbmetalle

Alternativer Film über Stromleitung im Halbleiter Silizium und dotieren

Dotieren von Halbleitermaterial (Text)

https://www.halbleiter.org/grundlagen/dotieren/

Grenzflächen und die Beeinflussung ihres elektrischen Verhaltens durch angelegte Spannung

Eine Diode lässt den elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen. Sie wirkt wie ein Einbahnstraßenschild für Elektronen.

Aufbau und Funktion einer Diode

Stromdurchlass- oder Stromsperrrichtung-Schaltung eines p-n-Übergangs

Aufbau und Funktion einer LED: So funktioniert eine LED (LINK zu Conrad-Elektronik)

Transistor

Im Transistor sind sozusagen zwei Dioden "Rücken an Rücken" aneinander gehängt (PNP oder NPN-Schichtung). Dadurch sperrt sie in beide Richtungen, solange die mittlere Schicht, die Basis, stromlos ist. Der elektrische Strom fließt nur vom Kollektor (Eingang) zum Emitter (Ausgang) des Transistors, wenn die mittlere Schicht, die Basis, mit geeigneten "Steuerstrom" der richtigen Polarität versorgt wird.

Aufbau und Funktion Halbleiter

Aufbau und Funktion eines Transitors (FILM)

Funktionsweise eines Transistors (alternativer Film)

Funktion eines Transitors bei Leifi Physik

Funktionsweise elektronischer Bauteile

Aufbau und Funktion einer Solarzelle

Wie funktioniert eine Solarzelle / ein Solarpanel?

Eine Leuchtstoffröhre (Film) leuchtet unter bestimmten Bedingungen auch ohne Stromanschluss.

Braun´sche Röhre / Bildröhre

Themen der Gruppenarbeiten zur Funktionsweise elektronischer Bauteile

1. Photodiode
2. Transistor
3. NTC-Widerstände
4. Light-emitting Diode (LED)
5. Aufbau und Funktion einer Bildröhre
6. Leuchtstoffröhre
7. Photovoltaisches Element (Solarzelle)
8. Digitale Datenspeicherung auf CDs

Bewegung unterliegt physikalischen Gesetzen

Ein Autofahrer hat bei 100 km/h eine Textnachricht auf seinem Handy erhalten. Wir nehmen an, dass das Öffnen und Lesen der Nachricht insgesamt ca. 4 s Zeit in Anspruch nimmt.

FRAGE: Wieviel Meter legt ein Fahrzeug bei Tempo 100 km/h in der Zeit von 4s zurück?

s = v t   mit s = Strecke, v= Geschwindigkeit (in m/s) und t = Zeit (in Sekunden)

Umwandlung der Einheiten: 100 km/h = 100000 m / 3600 s = 27,78 m/s

s = 27,78 m/s x 4 s = 111,12 m

Ergebnis:

Ein Blick des Autofahrers auf eine Textnachricht auf seinem Handy führt bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h zu ca. 110 m "Blindflug". Bedenke, was auf dieser Strecke alles passieren kann!

Deshalb unbedingt als FahrerIn beachten: Hände weg vom Handy beim Autofahren,  denn der Tod ist normalerweise irreversible (unumkehrbar) ! 

Animation zu Phasen des Bremsvorganges

Arbeitsblatt zum Bremsvorgang / Anhalteweg bei Autos LÖSUNG

Freier Fall - was fällt schneller, eine Feder oder ein Hammer ?

Auf der Erde ist die Antwort ganz klar, oder ? Aber ohne die Wirkung der  Erdatmosphäre, die die Ergebnisse durch ihren Luftwiderstand verfälscht, sieht das Ergebnis anders aus !

Übrigens auch auf der Erde, wenn man den Versuch in einer Vakuumröhre durchführt: Versuch auf der Erde.

Mehr gefällt mir allerdings das von einer Apollo-Mannschaft auf dem Mond durchgeführte Experiment.

Freier Fall

Wichtige Formeln aus der Mechanik der Bewegungen, z.B.

v= s/t ...