Abi Lernzettel Physik GK 2021 PDF

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ABITUR LERNZETTEL Physik GK 2021DAVID LEPPERINHALTSVERZEICHNIS ABITUR LERNZETTEL Physik GK 2021....................................................................................................................... DAVID LEPPER............................................................................

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ABITUR LERNZETTEL Physik GK 2021 DAVID LEPPER

INHALTSVERZEICHNIS ABITUR LERNZETTEL Physik GK 2021....................................................................................................................... 0 DAVID LEPPER............................................................................................................................................................ 0 Q1.1 Elektrisches Feld ........................................................................................................................................... 3 – Feldbegriff, Feldlinienbilder ....................................................................................................................................... 3 - Elektrische Ladung ...................................................................................................................................................... 6 – Elektrische Spannung und Stromstärke ..................................................................................................................... 7 – Plattenkondensator ................................................................................................................................................... 7 – bewegte Ladungen im elektrischen Feld ................................................................................................................... 7 Q1.2 Magnetisches Feld ....................................................................................................................................... 8 – bewegte Ladungen als Ursache von Magnetfeldern. ................................................................................................ 8 Feldlinienbilder, Feldbegriff .......................................................................................................................................... 8 Linke und Rechte Hand Regel ....................................................................................................................................... 9 – Bewegung geladener Teilchen im magnetischen Feld............................................................................................. 10 Q1.3 Induktion ................................................................................................................................................... 12 – Induktionsspannung aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses ............................................ 12 – Lenz’sche Regel und Energieerhaltung (Demonstrationsexperiment, Anwendungsbezug: z. B. Wirbelstrombremse)................................................................................................................................................... 13 Selbstinduktion und Induktivität einer langen Spule (phänomenologisch am Beispiel der Vorgänge des Auf- und Abbaus des Magnetfeldes einer langen Spule)........................................................................................................... 14 – Energie des Magnetfeldes der Spule … (ohne Herleitung) ...................................................................................... 14 Q2.1 Schwingungen ........................................................................................................................................... 14 – Schwingungen als periodischer Vorgang .................................................................................................................14 – zeitlicher Verlauf der Schwingung ...........................................................................................................................16 – Dämpfung (als Erweiterung der reibungsfreien Idealisierung, Abnahme der Amplitude, nur qualitativ) ..............21 – Resonanzphänomene ............................................................................................................................................... 21 Q2.2 Wellen ....................................................................................................................................................... 22 – Wellen in Natur und Technik und ihre Kenngrößen ................................................................................................ 22 – Überlagerung mehrerer Wellen, Interferenz ........................................................................................................... 23 Q2.3 Wellen an Grenzflächen ............................................................................................................................. 25 Reflexions- und Brechungsgesetz als Anwendungen des Huygens’schen Prinzips (Veranschaulichung durch Zeichnung)................................................................................................................................................................... 25 Q3.1 Eigenschaften von Quantenobjekten .......................................................................................................... 26 – Fotoeffekt................................................................................................................................................................. 26 – Energie-Masse-Äquivalenz, Masse und Impuls von Photonen ................................................................................ 27 – De-Broglie-Wellen und De-Broglie-Gleichung ......................................................................................................... 27 – Doppelspaltversuche mit Elektronen und Photonen bei geringer Intensität, stochastische Deutung (Animation)28

Q3.2 Atommodelle............................................................................................................................................. 28 – klassische Atommodelle (nach Thomson und Rutherford)...................................................................................... 28 – Quantisierung........................................................................................................................................................... 28 – Linienspektren, Term Schema.................................................................................................................................. 29 Q3.4 Mikroskopische Stoßprozesse .................................................................................................................... 31 – Franck-Hertz-Versuch............................................................................................................................................... 31

Q1.1 Elektrisches Feld – Feldbegriff, Feldlinienbilder 𝑣

Feldstärke: E (𝑞 )

Kraft: F (N)

Ladung(Coulomb): Q (c)

Plattenabstand: d (m)

Coulomb: Q (F)

Spannung: U (V)

Energie: W (J)

Masse: m (kg)

Strecke: s (m)

Gegenseitige Ladungen

Gleiche Ladungen

Zum Feldbegriff: => Felder sind Träger von Energien => Beschreiben einen Raumzustand => Räume zwischen den „Stofflichen Objekten“ sind Felder => Felder durch diese Objekte erzeugt => Der Zustand des Feldes wird durch Feldgröße beschrieben, die bestimmte Wirkung des Feldes erfasst Feldlinienbilder: => Dienen zur Beschreibung von Vektorfeldern => Verlauf der Feldlinien erfasst Feldrichtung → Homogenität des Feldes => Dichte der Feldlinien beschreibt die Stärke des Feldes (Feldstärke E) =>Immer von + nach – => Immer senkrecht auf Leiteroberflächen => kreuzen sich nicht

homogenes Feld eines Plattenkondensators (Experiment) 𝑈

𝐸 = 𝑑 => Elektrische Feldstärke

𝐶 = 𝜀𝑟 ∗ 𝜀0 ∗ 1 2

𝐴 𝑑

=

𝑄 𝑈

, => 𝜀𝑟 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑓ü𝑟 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑖𝑛𝑛𝑒𝑟𝑒 𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 => 𝜀0 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑚 𝑇𝑎𝑠𝑐ℎ𝑒𝑛𝑟𝑒𝑐ℎ𝑛𝑒𝑟

𝑊 = ∗ 𝑄 ∗ 𝑈 => Energie im Kondensator

=> Parallel Feldlinien → homogenes Feld => An jedem Ort gleich stark im inneren

radialsymmetrisches Feld einer Punktladung

=>

|𝐸| =

1

4𝜋∗𝜀𝑟∗𝜀0

∗

𝑄 𝑟2

=> Punktförmige elektrische Ladung

Punktladung im elektrischen Feld 󰇍󰇍󰇍󰇍𝑒𝑙󰇍 = 𝐸 󰇍 ∗𝑞 𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐾𝑟𝑎𝑓𝑡: 𝐹

-

𝑞 ∗ 𝑈𝐵𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔

spezielle Feldlinienbilder, Spitzeneffekt, Faraday’scher Käfig (Realitätsbezüge, z. B. Blitzableiter, Flugzeug, Auto) Spitzeneffekt => starke Zunahme der elektrischen Feldstärke an einer spitzen oder scharfkantigen Elektrode. Die 𝑈 Feldstärke an einer Kugeloberfläche ist 𝐸 = 𝑅 (U: Spannung, R: Kugelradius)

Faraday’scher Käfig => geschlossen Hülle aus Metall die als Abschirmung wirkt → Elektronen stoßen sich gegenseitig ab und befinden sich aufgrund dessen möglichst weit außen in einer Hülle mit Größtmöglichem Abstand

=> Dadurch ist man Zum Beispiel in einem inneren eines Flugzeuges, Autos oder Hauses sicher

Influenz bei Leitern (Demonstrationsexperiment) und Polarisation bei Nichtleitern => Verschiebung von Ladungsträgern durch eine externe Ladung bei Leitern

=> Bei nicht Leitern verschieben sich die Ladungen innerhalb der Atome da sie keine Leiter sind (Polarisation)

Coulomb’sches Gesetz: => beschreibt die zwischen zwei Punktladungen wirkende Kraft => Mit welcher Kraft sich zwei Ladungen abstoßen/anziehen

=>

𝐹=

1

4𝜋 ∗ 𝜀0

∗

𝑞1 ∗ 𝑞2 𝑟2

- Elektrische Ladung Ladung als Erhaltungsgröße => Ladungen bleiben "erhalten" => Die Ladung eines Systems, das aus mehreren Teilchen besteht (z.B. ein Atom), ergibt sich aus der Summe der Ladungen der einzelnen Teilchen => Fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens

𝑄 = 𝐼∗𝑡 Millikanversuch im Schwebefall: Quantelung der Ladung => stäubte Öltröpfchen in einen Kondensator => Gewichtskraft zog die Teilchen nach unten und die Elektrische Kraft zog sie nach oben => U erhöht sodass Schwebezustand: Gewichtskraft=Elektrische Kraft => Feststellung der Elementarladung 𝑒 = 1,59 ∗ 10−19 da alle Ladungen ein vielfaches von 𝑒 waren

𝐹𝑒𝑙 = 𝐹𝐺

𝐸∗𝑞 = 𝑚∗𝑔 𝑈=

𝑚∗𝑔∗𝑑 𝑞

– Elektrische Spannung und Stromstärke elektrische Stromstärke (Ampere)

𝐼=

𝑄 𝑡

=> Ladung pro Zeiteinheit Spannung als potenzielle Energie pro Ladung 𝑈=

𝐸𝑃𝑜𝑡 𝑄

𝐽

=> 𝑈 = 1 𝐴𝑠 = 1𝑉

– Plattenkondensator Parallelschaltung zweier Kondensatoren

=> Bei Parallel Schaltung von Kondensatoren werden Ladung oder auch Kapazitäten einfach addiert

– bewegte Ladungen im elektrischen Feld Geschwindigkeit von Elektronen/ Ladungen 𝑣 = √2 ∗ 𝑈 ∗

𝑞 𝑚

; 𝑣 = √2 ∗ 𝑈 ∗

𝑒 𝑚𝑒

Beschleunigung und Abbremsung parallel zur Feldrichtung 𝐵𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔: 𝑎 = 𝐴𝑏𝑏𝑟𝑒𝑚𝑠𝑢𝑛𝑔

∶ 𝑠=

𝑈∗𝑞 𝑑∗𝑚

𝑚 ∗ 𝑣2 ∗ 𝑑 𝑞

Q1.2 Magnetisches Feld – bewegte Ladungen als Ursache von Magnetfeldern. Feldlinienbilder, Feldbegriff Magnetische Flussdichte: B (T)

Medium in Spule: 𝝁𝑟

Magn. Feldkonstante: 𝝁𝟎

Windungszahl: N

Länge: l (m)

Stromstärke: I (A)

Kraft: F (N)

Lorentzkraft: 𝑭𝐿 (N)

Magn. Feldstärke: H ( ) 𝑚

Induktivität: L (H)

Stromdurchflossener Leiter

Gerader Leiter (rechte Hand-Regel)

Definition: 𝑩

=

𝑭

𝑰∗𝒕

=> Berechnung der Magnetischen Flussdichte (Stärke des Magnetfeldes) => entsteht um Stromdurchflossenen Leiter => Magnetfeldlinien stehen senkrecht zum Leiter Stromdurchflossener Leiter nicht senkrecht zum Magnetfeld : 𝐵=

𝐹 𝐼 ∗ 𝐿 ∗ sin (𝑎)

𝐴

Elektromagnetische Spule

𝑩 = 𝝁𝟎 ∗ 𝝁𝒓 ∗ 𝒏 ∗

𝑰 𝒍

=> Flussdichte bei einer langen Spule => Proportionsfaktoren siehe oben

𝐻=

𝐼∗𝑁 𝑙

=> Magnetische Feldstärke einer Spule Zusammenhang zw ischen Flussdichte-Feldstärke

𝐵 = 𝜇0 ∗ 𝜇𝑟 ∗ 𝐻

Linke und Rechte Hand Regel Linke Hand -Physikale Stromrichtung => Physikalisch Richtige Stromrichtung zeigt die Richtung der Fließenden Elektronen vom -Pol zum +Pol (Elektronen)

Rechte Hand -Technische Stromrichtung => Annahme davon dass es Positive Ladungen gibt die vom +Pol zum -Pol fließen (Protonen)

– Bewegung geladener Teilchen im magnetischen Feld Lorentzkraft – neue Qualität einer Kraft: => Lorentzkraft vorhanden bei 2 Bedingungen: (1) Es liegt ein Magnetfeld vor (2) Bewegte Ladung durch das Magnetfeld Elektron=> Linke Hand Regel =>Dass Elektron wird in das B-Feld des Magneten geschossen => Durch die Lorentzkraft wird es von der geradlinigen abgelenkt => Berechnung der Lorentzkraft :

𝐹𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑧 = 𝑞 ∗ 𝑣 ∗ 𝐵

Bewegung geladener Teilchen parallel und senkrecht zum magnetischen Feld Parallel zum B-Feld: => Geschwindigkeitsrichtung der Bewegten Ladungen sind gleich mit den Magnetischen Feldlinien => Keine Beeinflussung (bewegen sich weiter Geradlinig durch das B-Feld

Senkrecht zum B-Feld: => Bewegten Ladungen werden je nachdem ob positiv oder negativ durch die Lorentzkraft in bestimmte Richtungen abgelenkt, sodass eine Kreisbahn entsteht

=> Bei hineinschissen kann auch nur ein Halbkreis entstehen

Lorentzkraft als Zentripetalkraft,-Bestimmung (Demonstrationsexperiment) => Die oben gezeigte Kreisbewegung bedeutet also dass die Zentripetalkraft ( Kraft die einen Körper auf einer gekrümmten Bahn bewegt) gleichgesetzt werden kann mit der Lorentzkraft 𝐹𝐿 = 𝐹𝑍

𝐵∗𝑞∗𝑣 = 𝒓=

𝒎∗𝒗 𝑩∗𝒒

𝑚 ∗ 𝑣2 𝑟

=> Berechnung der Magnetischen Flussdichte des B-Feldes, des Radius der Kreisbahn, der Geschwindigkeit des Teilchens, der Ladung des Teilchens möglich

Q1.3 Induktion – Induktionsspannung aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses Induktion=> Entstehen eines elektrischen Feldes bei einer Änderung des magnetischen Flusses magnetischer Fluss => Magnetischer Fluss ändert sich entweder durch Veränderung der Fläche oder Änderung des BFeldes => der Winkel der Fläche zum B-Feld muss dabei auch durch cos(a) in Betracht gezogen werden => Wenn die Fläche senkrecht im B-Feld liegt fällt dieser Term weg

=>

𝛷 = 𝐵 ∗ 𝐴 ∗ cos (𝑎)

Induktionsgesetz in der Formulierung … (quantitativ nur für stückweise lineare Veränderung der Fläche A oder des Magnetfeldes B, wobei das Magnetfeld die Fläche senkrecht durchsetzt, andere Fälle nur qualitativ) => Spannung in der Spule wird erhöht/ dadurch, dass B-Feld sich in der Fläche der Spule verändert => kann entweder durch rein oder rausziehen eines Stabmagneten in die Spule passieren aber auch verschieben der Fläche => Umso schneller die Veränderung stattfindet umso höher ist die Induzierte Spannung

𝑈𝑖𝑛𝑑 = −𝑛 ∗

∆𝛷 ∆𝑡

=> ändert sich der Magnetische Fluss 𝛷 in der Spule wird Spannung U Induziert

Magnetischer Fluss durch Fläche A erhöht sich

– Lenz’sche Regel und Energieerhaltung (Demonstrationsexperiment, Anwendungsbezug: z. B. Wirbelstrombremse) Lenzsche Regel: Ein entstehender Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt

(1) Die Schaukel innerhalb des B-Felds wird in Richtung F durch Anstoßen bewegt => Dadurch kommt es zu einer bewegten Ladung in einem Magnetfeld => Lorentzkraft => Linke Hand Regel => führt zur Ladungsverschiebung => Induktionsstrom fließt

Magn. Feld

Lorentzkraft Bew. der Elektr

(2) Lenzsche Regel besagt nun dass es eine Entgegensetzung des Induktionsstrom geben muss da sonst die Schaukel weiter nach oben fliegt => würde der Energieerhaltung wiedersprechen => Der Induktionsstrom erzeugt nun eine Lorentzkraft F‘ die F entgegenwirkt (Linke Hand) Magn. Bew. der Elektr Feld Lorentzkraft

Wirbelstrombremse => Durch Magnetfeld und den bewegten Elektronen Wirkt die Lorentzkraft ins Rad Innere => Durch Ladungsausgleich in freiräume oben => Wirbelstrom => Rad bremst da der Induktionsstrom eine Lorentzkraft entgegen der Bewegungsrichtung des Rades erzeugt

Selbstinduktion und Induktivität einer langen Spule (phänomenologisch am Beispiel der Vorgänge des Auf- und Abbaus des Magnetfeldes einer langen Spule) Selbstinduktion => Veränderung des Stroms → Veränderung des B-Feldes → Veränderung des Magnetischen Flusses

𝑈𝑖𝑛𝑑 = −𝐿 ∗ 𝐼 Induktivität einer langen Spule

𝐿 = 𝝁𝟎 ∗ 𝝁𝒓 ∗ 𝑛2 ∗

𝐴 𝑙

– Energie des Magnetfeldes der Spule … (ohne Herleitung) Die magnetische Feldenergie einer Spule ist durch deren Induktivität L und durch das Quadrat des durch die Spule fließenden Stroms I bestimmt

𝑊𝑚𝑎𝑔 (𝑡) =

1 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼2 2

Q2.1 Schwingungen – Schwingungen als periodischer Vorgang Harmonische Schwingung charakteristische Größen (Elongation, Amplitude, Schwingungsdauer, Frequenz)

=> Periode T: Zeit für einen Vollständigen Hin und Hergang einer Schwingung => Frequenz f: Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit => Elongation s: Gibt die Momentane Entfernung von der Ruhelage an => Amplitude y0: Maximale Schwingungsweite bzw. Elongation

Berechnung:

𝑇 = 2𝜋 ∗ √ 𝑓=

𝑚

𝐷

𝑛 (𝐻𝑧) 𝑡

(𝑠)

𝑠 = 𝑥(𝑡)

𝑦0 =

𝑦(𝐻𝑜𝑐ℎ𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡) − 𝑦(𝑇𝑖𝑒𝑓𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡) 2

𝜔 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓 (𝑠 −1) 2𝜋 𝜔= 𝑇

Energieformen, Energieerhaltung (qualitative Betrachtung) => In einem abgeschlossenen System bleibt bei Reibungsfreiheit die gesamte mechanische Energie erhalten. Die verschiedenen Energieformen können sich lediglich ineinander umwandeln.

Lageenergie (potentielle Energie) Bewegungsenergie (kinetische Energie) Spannenergie

𝐸𝑝𝑜𝑡 = 𝑚 ⋅ 𝑔 ⋅ ℎ

𝐸𝑘𝑖𝑛 =

1 ⋅ 𝑚 ⋅ 𝑣2 2

𝐸𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛 =

1 ⋅ 𝐷 ⋅ 𝑠2 2

=> Das Pendel steht kurz damit es zurückschwenkt => Epot= max, Ekin=0

=> Das Pendel schwingt und hat am untersten Punkt die maximale E kin , Epot=0

– zeitlicher Verlauf der Schwingung Federpendel, Fadenpendel (mit Kleinwinkelnäherung) Federpendel

(a) Unbelastete Feder (b) Gleichgewichtslage (c) Momentane Position 1

𝐷

=> 𝑓 = 2𝜋 ∗ √ 𝑚 𝑚

=> 𝑇 = 2𝜋 ∗ √ 𝐷 => 𝜔 = √

𝐷

𝑚

Fadenpendel

𝑓=

1 𝑔 ∗√ 𝑙 2𝜋

𝑇 = 2𝜋 ∗ √

𝑙 𝑔

Schwingungsgleichung yt y t ( ) =⋅⋅ ⋅ 0 sin(ω ) (Ableitung aus dem t-y-Diagramm) 𝑦(𝑡) = 𝐴 ∗ sin(𝜔 ∗ 𝑡 ∓ 𝛷0 )

𝐴 = 𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 = 2𝑚

𝑇 = 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒𝑛𝑑𝑎𝑢𝑒𝑟 = 2𝑠

𝜔 = 𝐾𝑟𝑒𝑖𝑠𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑧 = 𝜔 =

2𝜋 =𝜋 2𝑠

𝑡0 = 𝑉𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑖𝑒𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑑𝑒𝑟 𝑆𝑖𝑛 − 𝐹𝑘𝑡 = 𝑐𝑎. 0,25 𝑛𝑎𝑐ℎ 𝑟𝑒𝑐ℎ𝑡𝑠

𝛷0 = 𝜔 ∗ 𝑡0 = 𝜋 ∗ 0,25 = 0,785 => wird zu – weil t0 nach rechts verschoben ist

➔ 𝒚(𝒕) = 𝟐𝒎 ∗ 𝐬𝐢𝐧(𝝅 ∗ 𝒕 − 𝟎, 𝟕𝟖𝟓)

lineare Rückstellkraft als Kriterium für harmonische Schwingungen Ob eine Schwingung harmonisch ist, also die Weg-Zeit-Funktion eine Sinusfunktion ist, hängt davon ab, ob folgende Bedingung erfüllt ist: Bei einer harmonischen Schwingung ist die rücktreibende Kraft proportional zur Auslenkung. 𝐹𝑟 = 𝐹𝑎 => bedeutet dass die Rückstellkraft der Feder oder des Pendels Proportional zur Auslenkung ist

(1) Das Federpendel wird an der Masse beschleunigt und zieht nach unten → Das Federpendel kommt langsamer nach Unten da die Rückstellkraft der Feder der Beschleunigung entgegenwirkt → Rückstellkraft nimmt zu während die Beschleunigung proportional abnimmt (2) Die Rückstellkraft hat maximum erreicht während die Beschleunigung 0 ist (3) Die Rückstellkraft nimmt wieder ab und die Beschleunigung nimmt dementsprechend wieder proportional zu um wieder Richtung Ruhelage zu kommen

Energieumwandlung an Beispielen (Berechnung der verschiedenen auftretenden Energieformen) Energieumwandlung am Beispiel der Schaukel

Bei maximaler Auslenkung ist die Potenzielle Energie maximal wohingegen die Kinetische E...