LDV-Physik

neues Thema: Kräfte in unserer Umwelt

2 Seiten Handout:

• was Kräfte bewirken
• was Physiker unter Kraft verstehen
• so werden Kräfte gemessen und dargestellt
• Kräftegleichgewicht
  • warum fallen Satelliten nicht vom Himmel ?
  • warum nähert sich der Mond nicht der Erde ?

drei Arten von Kraftübertragung :

• mechanisch: durch Zug (-> Zugkraft) oder Druck
• durch ein elektrisches Feld
• durch ein magnetisches Feld

@ sechs Bilder S. 60: a) auf welchen Körper wirkt die Kraft ? b) welche Wirkung hat die Kraft ? Bild 1: a) Volleyball , b) der Ball wird in eine andere Richtung gelenkt Bild 2: a) Expander

Expander

Bild 6: a) Bogen

Wenn eine Kraft auf einen Körper wirkt, ändert sich

• seine Bewegungsrichtung (s.o. Volleyball) und/oder
• seine Geschwindigkeit
• und/oder seine Form (s. Expander, Bogen)

Maßeinheit: Kräfte misst man in der Einheit Newton (1 N). (2. Lernblatt)

Bild 1: 100 Gramm (z.B. 1 Tafel Schokolade) hängen an einem Federkraftmesser

und üben eine Kraft von 1 Newton aus. 100 g haben (auf der Erde) eine Gewichtskraft von 1 Newton

Jede Kraft hat einen Betrag (z.B. 10 N), eine Richtung und einen Angriffspunkt.

(2. Lernblatt untere Hälfte. hier wird gemessen, wie groß die Reibungskraft ist)

Wenn zwei entgegengesetzte und gleich starke Kräfte am gleichen Punkt angreifen, heben sie sich auf (Kräftegleichgewicht).

Andernfalls kann man sie zu einer resultierenden Kraft zusammenfassen (Kräfteparallelogramm).

Kräfte kann man mit Federkraftmessern messen.

Kraftmessung

Grafik: doppelte Zugkraft verursacht doppelt so große Auslenkung,

dreifache Zukgkraft verursacht dreifache Auslenkung.

man sagt: die Zugkraft ist proportional zur Auslenkung.

Funktionsgraph für einen proportionalen Zusammenhang

Die Erde ist sechsmal schwerer als der Mond. Darum ist die Gewichtskraft auf der Erde sechsmal so stark wie die Gewichtskraft auf dem Mond.

Die Masse eines Körpers ist überall gleich groß (d.h. sie ist unabhängig vom Ort). Man misst sie in Kilogramm ( 1 kg).

Arbeit

Arbeit = Kraft mal Weg W = Arbeit (vom englischen Wort work) F = Kraft ( von force) Arbeit = Kraft · Strecke

Wenn man eine Tafel Schokolade (100 g) um 1 m (hoch)hebt, verrichtet man eine Arbeit von 1 Joule (1 J).

1 N · 1 m = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Joule (J)

Es gibt kein Messgerät für'Arbeit'. Man braucht deshalb die Formel.

um 100 g 1 m zu heben, braucht man 1 N(ewton) Kraft.

um 500 g 1 m zu heben, braucht man 5 N(ewton) Kraft.

um 250 g 2 m zu heben, braucht man 5 N Kraft.

Arbeiten heißt Energie umwandeln

In Lebensmitteln steckt chemische Energie. Unser Magen und unser Darm können einen großen Teil der Energie erschließen; unser Blut transportiert die Nährstoffe durch den Körper; unsere Muskeln / Organe ...

das Hebelgesetz

https://www.youtube.com/watch?v=RpuOcRfePII Hebelgesetz 5:32

elektrische Erscheinungen im Stromkreis + im Alltag

Die Elektrostatik betrachtet

• unbewegte elektrische Ladungen und
• stationäre (~ zeitlich gleichbleibende) elektrische Felder.

zwischen 2 elektrisch geladenen Luftballons ist ein (unsichtbares) elektrisches Feld.

ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

elektrische Ladung

Periodensystem der Elemente.

Es gibt 83 natürliche chemische Elemente.

Alle Atome bestehen aus nur 3 "Zutaten": Neutronen, Protonen und Elektronen

(Wasserstoff (H) besteht nur aus 1 Proton und 1 Elektron. Es ist das kleinste Atom.)

Neutronen sind elektrisch neutral,

Protonen sind positiv geladen,

1 Proton wiegt das gleiche wie 1 Neutron.

Elektronen sind negativ geladen. Elektronen sind 2000mal leichter als Protonen.

Elektronen (e-) und Protonen (+) ziehen sich an.

(man sagt: ungleichnamige Ladungen ziehen sich an).

Der positive Kern und die negative Hülle sind durch elektrostatische Anziehung aneinander gebunden.

Man kann sagen: die elektrostatische Anziehung 'hält die Welt zusammen'.

gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

Elektronen können sich bewegen ("fließen"). Ihre minus-Ladung ist genauso groß wie die plus-Ladung eines Protons.

Alle Metalle sind elektrisch leitend.

Kupfer ist der wichtigste Werkstoff zum Herstellen von elektrischen Leitungen / Kabeln.

dreiadrige Leitung

Kunststoffe ('Plastik') sind nicht elektrisch leitend. Deshalb kann man mit Kunststoffen elektrische Leitungen isolieren. Die meisten Kabelisolierungen sind aus PVC. Jede Ader ist einzeln isoliert (braun = Phase, blau = Null, grün-gelb = Schutzleiter

Hochspannungsleitungen sind n i c h t kunststoff-ummantelt.

• 
  Zwei Isolatoren tragen ein spannungsführendes Leiterseil
• 
  Porzellanisolator für Mittelspannung, etwa 15 cm hoch. Die gerippte Form verlängert den Kriechweg gegenüber einem „geraden“ Isolator deutlich, die Unterseite der „Schirme“ bleibt bei Regen trocken

Elektrostatik im Alltag

das Fell der Katze ist elektrisch geladen. Es zieht Styroporstückchen an

Blitze zwischen Wolken und Erdboden

Blitze innerhalb der Wolken

Blitzeinschlag in den Eiffelturm, 1902.

Zündkerze

Blick in einen Motor - der Zylinderdeckel ist aus Glas

• man zieht sich einen Pullover über den Kopf - anschließend stehen die Haare zu Berge
• man hat Schuhe mit Gummisohlen an, läuft über einen Teppich, fasst dann eine Türklinke an und "kriegt eine gewischt"
• in einer Gewitterwolke werden Wassertröpfchen und Hagelkörner von starken Winden auf und ab befördert. Dabei reiben sie aneinander. Sie laden sich gegenseitig auf. Der untere Bereich der Wolke ist negativ geladen (mehr Elektronen); der obere Bereich überwiegend positiv.

Es gibt zwei Arten von Blitzen :

• innerhalb einer Gewitterwolke
• aus der Wolke zum Erdboden

praktische Tipps bei Gewitter:

• falls man in einem Gewässer (See, Bach, ...) oder einem Freibad badet : raus aus dem Wasser !
• zählen: wie viele Sekunden liegen zwischen Blitz und Donner ? Schall braucht für 1 Kilometer ziemlich genau 3 Sekunden.
• falls man auf einem Berg ist: weg vom Gipfel ! (Blitze schlagen bevorzugt an hohen Stellen ein)
• sich einen Faraday-Käfig suchen (z.B. ein Auto mit Metallkarosserie).

Animation : Ladungsverschiebung bei einem Faraday-Käfig

generell: Kunststoffe laden sich statisch auf, wenn man sie reibt.

Je feuchter die Luft ist (= hohe Luftfeuchtigkeit), desto leichter wandern Elektronen (z.B. auf einem Luftballon oder auf den Haaren, die "zu Berge stehen") in die Luft. Kurz nach dem Reiben waren Luftballon und Haare geladen, aber dann entladen sie sich wieder durch die feuchte Luft.

Fotokopierer funktionieren dank Elektrostatik.

Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechannische Energie - beim Fahrraddynamo ist es umgekehrt. Beim Auto heißt der Dynamo Lichtmaschine

https://www.youtube.com/watch?v=glUcvuBfV9o

Wasserkreislauf analog Wechselstrom

das Elektroskop

(PB S. 68+69) was ist ein ....skop ? zum Beispiel ein Teleskop, Mikroskop ?

Antwort: mit einem .... kann man etwas betrachten oder ein unsichtbares Phänomen (hier: die elektrische Ladung) sichtbar machen.

Zeigerelektroskop

Schema eines Elektroskops

Manche Elektroskope haben oben einen Stab (siehe Foto), andere einen runden Teller (im [https://youtu.be/fqgs88FxhI8?t=67 youtube-Video mit den zwei Luftballons).

wichtig: zwischen dem 'Innenleben' des Elektroskops und dem Rahmen ist ein Isolator. Elektronen können nicht in den Rahmen fließen, sondern nur zum Zeiger in dem Elektroskop.

Elektrostatik

Die Elektrostatik betrachtet ruhende Ladungen (= Ladungen, die sich nicht bewegen) und rein elektrische Felder (S.70).

Papierpuppen zum Tanzen bringen

elektrische Felder

geladene Körper üben Kräfte aufeinander aus, ohne sich zu berühren. Je näher die Körper beeiander sind, desto größer die Kraftwirkung. Mit zunehmender Entfernung nimmt die Kraftwirkung ab. Diesen Wirkungsbereich nennt man elektrisches Feld.

die Glimmlampe

Glimmlampe aus einem Spannungsprüfer

In der Glimmlampe ist ein Gas (z.B. Neon). Wenn Elektronen von einer Seite in die Glimmlampe strömen, leuchtet diese Hälfte der Glimmlampe.

Gefahren durch elektrischen Strom

Warnzeichen W012 nach ISO 7010: Warnung vor elektrischer Spannung

(Physikbuch S. 84+85) Wasser leitet Strom (und alle Metalle leiten Strom).

Unser Körper besteht zu ~70 % aus Wasser.

Je größer die Stromstärke (gemessen in Ampere), desto gefährlicher ist der Strom für Menschen. Besonders gefährlich ist es, wenn elektrischer Strom durch die Herzgegend fließt.

Im menschlichen Körper wird der Herzschlag nämlich durch schwache elektrische Signale gesteuert (oder durch einen Herzschrittmacher, der schwache elektrische Signale aussendet).

Wenn elektrischer Strom diese schwachsen Signale überlagert, kann es zu Herzkammerflimmern oder sogar zum Herzstillstand kommen.

Schuko = Schutzkontakt Schutz-Kontakt und bezeichnet ein System von Steckern (CEE 7/4) und Steckdosen (CEE 7/3), das vorwiegend in Europa verbreitet ist.

• 
  230-V-Steckdose in Deutschland, Österreich, Schweden und den Niederlanden
• 
  Schuko-Stecker passt nicht in französische Steckdosen

Elektro-Hydraulische Analogie

Phasenprüfer

• 
  Aufbau eines Phasenprüfers: isoliertes Gehäuse mit Kontaktplatte, Feder, hochohmigem Widerstand, Glimmlampe und Metallklinge

Dieser Spannungsprüfer ähnelt einem Schraubendreher.

Mit der metallenen Spitze berührt man den zu prüfenden Leiter.

Im Griff sind ein hochohmigen Vorwiderstand ( ~1 Mega-Ohm), eine Glimmlampe und auf der Rückseite des Phasenprüfers eine Kontaktfläche, die man berühren muss.

zur Physikstunde vom 14.2.22 hier klicken.

Stunden vom 1.2.22 und 8.2.22

Merksatz zur Reihenfolge der Planeten

Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unsere Nachbarplaneten.“

die Sonne (Ausschnitt) und ihre acht Planeten:

Merkur, Venus, Erde, Mars,

Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun

Das Sonnensystem bis zum Kuipergürtel.

Von links nach rechts die acht Planeten, einige Zwergplaneten, Asteroide und Monde.

Das Sonnensystem entstand vor ~ 4,5 Milliarden Jahren aus einer Urwolke (aus Gas und Staub) in der Milchstraße.

Dabei zogen sich die Massen von Sonne die Erde an (Gravitation); seitdem kreist die Erde auf einer Umlaufbahn um die Sonne.

Umlaufzeit: 365,25 Tage.

Als die Erde entstand, krachten viele Meteoriten auf ihre Oberfläche.

Die ganze Erde war glühend.

Schwere Atome (vor allem Eisen) sanken zum Erdkern, leichtere Atome stiegen an die Erdoberfläche.

Gase (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) bildeten die Erdatmosphäre.

Das Sonnensystem ...

ist ein winziger Teil der Galaxie Milchstraße.

Objekte des Sonnensystems (Auswahl)

Sonne
Innere Planeten	1. Merkur
	2. Venus
	Aten-Typ-Asteroiden
	3. Erde	Mond
		Erdbahnkreuzer
	Apollo-Typ-Asteroiden
	4. Mars	Phobos, Deimos
		Mars-Trojaner
	Amor-Typ-Asteroiden
Asteroiden­gürtel	Vesta, Juno, Ceres, Pallas
Äußere Planeten	5. Jupiter	Io, Europa, Ganymed, Kallisto
		Jupiter-Trojaner
	Zentauren	Hidalgo
	6. Saturn	Tethys, Dione, Rhea, Titan, Iapetus
	Zentauren	Chariklo, Chiron
	7. Uranus	Miranda, Ariel, Umbriel, Titania, Oberon
	Zentauren	Pholus
	8. Neptun	Triton, Nereid
		Neptun-Trojaner
Trans­nep­tu­ni­sche Objekte	Kuipergürtel	Eris, Pluto, Haumea, Makemake, Gonggong, Quaoar, Orcus
	Sedna, 2012 VP113
Oortsche Wolke

Das Sonnensystem besteht aus der Sonne, acht sie umkreisenden Planeten,

deren Monden, den Zwergplaneten, anderen Kleinkörpern (Kometen, Asteroiden und Meteoroiden)

und aus unzähligen Gas- und Staubteilchen.

Anziehungskräfte (Fachbegriff Gravitation) zwischen der Sonne und den Objekten halten das ganze System zusammen.

Der Pluto wird seit 2006 als Zwergplanet definiert und nicht mehr als äußerster Planet des Sonnensystems.

Die Sonne wiegt etwa 700mal so viel wie "alle anderen zusammen".

In Prozentzahlen: Die Sonne hat 99,86 % der Gesamtmasse des Sonnensystems,

der Jupiter hat 0,1 %,

der "Rest" (sieben Planeten etc.) hat 0,04 % der Gesamtmasse des Systems.

Alle anderen Teile des Systems zusammen haben zusammen also 0,14 % der Gesamtmasse.

Die vier inneren Planeten (von innen nach außen): Merkur, Venus, Erde und Mars.

Sie haben wie die Erde eine feste Erdkruste (siehe Bild).

Im äußeren Teil unseres Sonnensystems gibt es vier Gasplaneten: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.

• Asteroidengürtel zwischen den inneren und den äußeren Planeten
• Kuipergürtel jenseits der äußeren Planeten
• Oortsche Wolke ganz außen

Die Planetenbahnen liegen in einer flachen Scheibe (sie sind nur wenig gegenüber der Erdbahnebene geneigt, um höchstens 7°).

Merkur und Venus haben keinen Mond;

die anderen sechs Planeten haben einen Mond oder mehrere Monde.

Die Sonne besteht aus Wasserstoff und Helium.

Sie hat einen Durchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometern - 111mal so viel wie die Erde.

Die Umlaufbahnen der Planeten (1 Rasterquadrat hat die Kantenlänge 100 Mio. km)

Die vier inneren Planeten

Mars und die vier äußeren Planeten

Der Schalenaufbau der Erde

Seit der Entstehung des Sonnensystems kreisen alle Planeten, Zwergplaneten und der Asteroidengürtel im gleichen Umlaufsinn um die Sonne.

Jeder kreist auf einer elliptischen Umlaufbahn. Dabei drehen sie sich um die eigene Achse (Fachbegriff: sie rotieren).

Die Erde ist auf ihrer elliptischen Umlaufbahn 149 bis 151 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt.

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unsere beiden Nachbarplaneten: 'innen' Venus - 'außen' Mars

Venus

Venus in natürlichen Farben, aufgenommen von Mariner 10

• Abstand von der Sonne ~108 Millionen Kilometer

• der zweitinnerste Planet des Sonnensystems (= einer der vier Gesteinsplaneten)

• Durchmesser: ähnlich wie die Erde. Sie zählt zu den vier erdähnlichen Planeten.

• die Venus ist kommt auf ihrer Umlaufbahn (um die Sonne) der Erde minimal 38 Millionen Kilometer nah (ca. alle 1½ Jahre).

• ihre Atmosphäre besteht zu 96 % aus Kohlenstoffdioxid

• die Venus ist (nach dem Mond) das hellste Gestirn am nächtlichen Himmel.

• Sie ist nur am Morgen- oder Abendhimmel sichtbar - nie gegen Mitternacht.

Darum wird sie auch Morgenstern und Abendstern genannt.

• Wolkenstreifen verhindern den Blick auf die Oberfläche der Venus. Sie wurde mit Radarstrahlen erforscht.

Mars

nicht besprochen ; siehe Mars_(Planet)#Atmosphäre_und_Klima

Tabelle

Diese Tabelle kann man sortieren, indem man auf die kleinen schwarzen Dreiecke klickt.

Rang Ø	Name	Bild	Durchmesser (km)	Masse (kg)	Rang Masse	Dichte (g/cm³)	Objekttyp
1	Sonne		1400000	2e30	1	1,408	Stern
2	Jupiter		äqu. 143.000 pol. 134.000	1.9e27	2	1,3	5. Planet
3	Saturn		äqu. 120.000 pol. 109.000	5.7e26	3	0,7	6. Planet
4	Uranus		äqu. 51.000 pol. 50.000	8.7e25	5	1,3	7. Planet
5	Neptun		äqu. 49.500 pol. 48.700	1.0e26	4	1,6	8. Planet
6	Erde		äqu. 12.700 pol. 12.700	6.0e24	6	5,5	3. Planet
7	Venus		12100	5e24	7	5,2	2. Planet
8	Mars		äqu. 6.792 pol. 6.752	6.5e23	8	3,9	4. Planet
9	Ganymed		5.300	1.5e23	10	1,9	Jupitermond
10	Titan		5.100	1.3e23	11	1,9	Saturnmond
11	Merkur		4.900	3.3e23	9	5,4	1. Planet
12	Kallisto		4.800	1.1e23	12	1,8	Jupitermond
13	Io		3.600	9.0e22	13	3,5	Jupitermond
14	Mond		3.500	7.4e22	14	3,3	Erdmond
15	Europa		3.100	4.8e22	15	3,0	Jupitermond
16	Triton		2.700	2.1e22	16	2,050	Neptunmond
17	(134340) Pluto		2.400	1.3e22	18	1,9	Zwergplanet (TNO); bis 2006: 9. Planet