Physik

Einige wichtige Physikerinnen und Physiker

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Werner Heisenberg (* 5. Dezember 1901 † 1. Februar 1976)

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Liese Meitner (* 7. November 1878 ; † 27. Oktober 1968)

Marie Curie

Marie Skłodowska Curie (* 7. November 1867 in Warschau; † 4. Juli 1934 in Sancellemoz)

Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr (* 7. Oktober 1885 in Kopenhagen; † 18. November 1962 ebenda)

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Albert Einstein (* 14. März 1879 in Ulm; † 18. April 1955 in Princeton, New Jersey)

Allgemeines

Was versteht man unter Physik ?

Der Name Physik leitet sich vom griechischen Wort ‚physis‘ ab, das ‚Natur‘ bedeutet. Unter Physik verstand man ursprünglich die Lehre von der gesamten Natur. Im Laufe der Entwicklung machte sich zunächst die Lehre von der belebten Natur unter dem Namen Biologie selbstständig. Als Physik bezeichnet man dann nur noch die Lehre von der unbelebten Natur. Mit zunehmenden Erkenntnissen und Entdeckungen wurde dieses Wissensgebiet immer grösser, so dass sich einzelne Teilgebiete als selbstständige Wissenschaften abspalten. Dazu gehören die Astronomie, die Geologie und die Chemie. Als Physik bezeichnet man heute die Wissenschaft von den Erscheinungs- und Zustandsformen der Materie in der unbelebten Natur, von ihrer Struktur, ihren Bewegungen und ihren ohne stoffliche Veränderungen erfolgenden Zustandsänderungen. Sie ist die Wissenschaft von den in den verschiedenen Materieformen stattfindenden Prozessen und Vorgängen sowie von den dafür verantwortlichen, zwischen den Materiebausteinen bzw. -aggregaten bestehenden Kräfte und Wechselwirkungen. Im Unterschied zur Chemie beschäftigt sich die Physik vorwiegend mit solchen Vorgängen, bei denen keine stofflichen Umwandlungen eintreten, abgesehen von den in der Kernphysik vorkommenden Einwirkungen auf die Atomkerne durch Beschuss mit atomaren Teilchen, die zu Kern- und damit zu Stoffumwandlungen führen.

Aufgabe der Physik

Die Physik beschäftigt sich nur mit solchen Vorgängen, die sich messen lassen. Ihre Aufgabe ist es Zusammenhänge zwischen verschiedenen Erscheinungen aufzudecken, z.B. zwischen der Erwärmung eines Körpers und seiner Ausdehnung und zwischen der Ausdehnung einer Schraubenfeder und der Kraft, mit der sie bestrebt ist, sich wieder zusammenzuschieben. Die Physik ist bestrebt, Gesetze zu formulieren, die diese Zusammenhänge zum Ausdruck bringen. Diese Gesetze werden in Form mathematischer Gleichungen dargestellt. Ein einfaches Beispiel ist das Ohm’sche Gesetz, das die Zusammenhänge zwischen elektrischer Spannung (U), elektrischer Stromstärke (I) und elektrischem Widerstand (R) in der Form zum Ausdruck bringt. Mit solchen Gesetzen ist die Physik in der Lage, aus gegebenen Verhältnissen Aussagen über die Zukunft zu machen. Beispiele dafür sind die Voraussagen für Sonnen- und Mondfinsternisse, die sich aus der Kenntnis physikalischer Gesetze ergeben.

Arbeitsweise der Physik

Auf dem Weg zu einem allgemeingültigen physikalischen Gesetz werden im Allgemeinen folgende Stufen durchschritten:

Beobachtung:

Am Anfang jeder physikalischen Forschung steht die Beobachtung der Natur.

Experiment

Die rein passive Beobachtung der Natur liefert im Allgemeinen über einen Vorgang nur sehr unbestimmte Aussagen, aus denen sich keine Gesetzmäßigkeiten bestimmen lassen. Zu viele störende Einflüsse, deren Tragweite man nicht kennt, spielen eine Rolle. Man muss zum Experiment übergehen. Unter einem Experiment versteht man einen vom Menschen vorbereiteten, ausgelösten und beobachteten Naturvorgang. Jedes Experiment enthält eine ganz bestimmte Fragestellung und wird auf diese Fragestellung angelegt.

Messung

Um eine noch genauere Aussage über die Ergebnisse eines Experimentes machen zu können, wird eine Größe des Vorganges gemessen.

Induktion

Die aus Beobachtung, Experiment und Messung gewonnenen Ergebnisse müssen nun geordnet und zusammengefasst werden. Hat man festgestellt, dass bei gleichartigen Experimenten jedes Mal auch die gleichen Ergebnisse erhalten werden, dann kann man einen gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen den gemessenen Größen vermuten. Um diesen Zusammenhang zu formulieren, verwenden wir ein Prinzip, das zwar nicht beweisbar ist, dessen Gültigkeit wir aber tagtäglich erfahren, das sogenannte Kausalitätsprinzip. Es besagt: gleiche Größen haben stets gleiche Wirkungen zur Folge. Das Kausalitätsprinzip ist uns so vertraut, dass wir die Wirkung von vielen Ursachen genau voraussagen können, so dass wir den Vorgang nicht erst selbst ausprobieren müssen. Wenn also bei einem Experiment immer wieder dasselbe Ergebnis zustande kommt, schließen wir auf einen kausalen Zusammenhang und können diesen Zusammenhang in Form eines Gesetzes formulieren. Den so formulierten Zusammenhang haben wir aus einer beschränkten Anzahl von Experimenten ermittelt. Wir haben ein Gesetz ‚in‘ die experimentell gefundenen Werte ‚hineingelegt‘ (=induziert). Man spricht dabei von einer Induktion und versteht darunter die Herleitung eines allgemeinen Gesetzes aus speziellen Beobachtungsergebnissen.

Hypotese

Durch Induktion haben wir nun ein Gesetz gefunden, dessen Allgemeingültigkeit keineswegs bewiesen ist. Grundlage für das Gesetz war ja nur eine beschränkte Anzahl von Experimenten. Nur unter Verwendung des Kausalitätsprinzips haben wir die Allgemeingültigkeit vermutet. Es könnten ja noch solche Größen einen Einfluss auf die Messergebnisse haben, die im Experiment nicht berücksichtigt wurden. Solange dieser Einfluss nicht wiederlegt worden ist spricht man von einer Hypothese und versteht darunter den Ansatz für ein Naturgesetz, an dessen Richtigkeit noch Zweifel bestehen, so dass es noch durch weitere Experimente erhärtet oder gegebenenfalls wiederlegt werden muss.

Theorie

Wird eine Hypothese durch verschiedenste Experimente immer mehr erhärtet, so erhält man schließlich eine Theorie. Darunter versteht man eine Anzahl von untereinander in Beziehung stehender allgemeinen Gesetzen, die eine größere Anzahl von Einzelerscheinungen, die auf den ersten Blick nichts miteinander gemein haben, in einem übergeordneten Zusammenhang stellen. Ist eine Theorie einmal aufgestellt, so lassen sich aus ihr durch Rechnung und logische Überlegung Schlüsse ziehen, die aus den ursprünglichen Experimenten nicht erkennbar waren. Aus einer Theorie lassen sich also gewisse spezielle Aussagen herleiten. Diesen Vorgang bezeichnet man dann als Deduktion. (Quelle: http://www.alimbach.de/Technikerschule/HTML/PHYS/Phys0001.htm)

Unsere Physikräume

Raum 102 – Stufenraum

R 102

Raum 108 – Übungsraum

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Unterricht

Wann werden welche physikalischen Gebiete werden an unserer Schule behandelt? 6. Klasse:

  • Elektrizität:
  • Sicherer Umgang mit Elektrizität
  • Stromkreise,
  • Leiter und Isolatoren
  • UND-, ODER- und Wechselschaltung
  • Dauermagnete und Elektromagnete,
  • Magnetfelder
  • Nennspannungen von elektrischen Quellen und Verbrauchern,
  • Wärmewirkung des elektrischen Stroms
  • Sicherung
  • Einführung der Energie über Energiewandler und Energietransportketten
  • Temperatur und Energie
  • Thermometer
  • Temperaturmessung
  • Volumen- und Längenänderung bei Erwärmung und Abkühlung
  • Aggregatzustände (Teilchenmodell)
  • Energieübergang zwischen Körpern verschiedener
  • Temperatur
  • Sonnenstand
  •  Licht und Schall
  • Licht und Sehen
  • Lichtquellen und Lichtempfänger,
  • Geradlinige Ausbreitung des Lichts,

8. Klasse

  • Mechanik – Kräfte, Druck, mechanische- und innere Energie
  • Geschwindigkeit
  • Kraft als vektorielle Größe
  • Zusammenwirken von Kräften
  • Gewichtskraft und Masse
  • Hebel und Flaschenzug
  • mechanische Arbeit und Energie
  • Energieerhaltung
  • Druck
  • Auftrieb in Flüssigkeiten
  • Optik – Optische Instrumente, Farbzerlegung des Lichts
  • Aufbau und Bildentstehung beim Auge *)
  • Funktion der Augenlinse
  • Lupe als Sehhilfe
  • Fernrohr
  • Brechung, Reflexion
  • Totalreflexion und Lichtleiter
  • Zusammensetzung des weißen Lichts

9. Klasse

  • Energie, Leistung, Wirkungsgrad Wärmelehre
  • Energie und Leistung in Mechanik, und Wärmelehre
  • Aufbau und Funktionsweise eines Kraftwerkes
  • regenerative Energieanlagen
  • Wirkungsgrad
  • Elektrische Energie
  • Elektromotor und Generator
  • Erhaltung und Umwandlung von Energie
  • Energieumwandlungs-prozesse
  • Radioaktivität und Kernphysik
  • Aufbau der Atome, ionisierende Strahlung (Arten, Reichweiten, Zerfallsreihen, Halbwertzeit)
  • Strahlennutzen
  • Strahlenschäden und Strahlenschutz
  • Kernspaltung
  • Nutzen und Risiken der Kernenergie
  • Aufbau zur Elektronenbeugung an polykristalliner Materie (Graphit)

aktueller Unterrichtsstoff der Oberstufe am Gymnasium Heepen Einführungsphase – 10. Schuljahr

Zum Schuljahr 2014/2015 treten neue Kernlehrpläne für die Gymnasiale Oberstufe in Kraft. Diese Vorgaben werden zur Zeit in einen Schulinternen Lehrplan umgearbeitet.

1 Kinematik und Dynamik des Massenpunkts

  • Gesetzte der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung
  • träge Masse, Trägheitssatz
  • Kraft, Grundgleichung der Mechanik
  • Impuls, ImpulserhaltungMEDION Digital Camera

Kräfte an der schiefen Ebene

  • Stoßvorgänge
  • Kraftstoß und Impulsänderung
  • Modell des Massenpunktes
  • Bezugssystem, Inertialsystem, Galilei-Transformation
  • Wurfbewegungen
  • Kreisbewegung, Zentripetalkraft
  • Bewegungsgesetze der gleichförmigen und beschleunigten Drehbewegung
  • Trägheitskräfte (Zentrifugalkraft, Corioliskraft)
  • Trägheitsmoment, Drehmoment, Drehimpuls,
  • Drehimpulserhaltungserhaltung, Kreisel

2 Arbeit und Energie

  • Lageenergie und Hubarbeit
  • Bewegungsenergie und Beschleunigungsarbeit
  • Spannenergie und Spannarbeit
  • Energieentwertung und Reibungsarbeit
  • Energiebilanzierung bei Übertragung und Umwandlung – Erhaltung und Entwertung der Energie

3 Mechanische Wellen

  • Entstehung und Ausbreitung von Transversal- und Longitudinalwellen, Wellengleichung
  • Beugung, Huygens´sches Prinzip, Reflexion, Brechung
  • Interferenz von Wellen, stehende Welle
  • Schall als Welle, Ultraschall, Infraschall
  • Eigenschwingungen (Grund- und Obertöne, Synchronisationsphänomene)
  • Dopplereffekt
  • Erzwungene Schwingung, Resonanz
  • Gedämpfte Schwingung
  • Erzeugung ungedämpfter Schwingungen, Rückkoppelung, gekoppelte Schwingungen

Qualifikationsphase 1 – Q1 – Schuljahr 11

1 Ladungen und Felder

  • Elektrisches Feld, elektrische Feldstärke E
  • Zentralsymmetrisches Feld, Coulomb´sches Gesetz
  • Potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung, Potential
  • Elektrische Feldkonstante

Elektrofeldmeter

Elektrofeldmeter zur Bestimmung der elektrischen Feldkonstante εo

  • Elektrische Kapazität
  • Dielektrikum, Dielektrizitätszahl
  • Elektrische Feld als Energieträger, Energiedichte
  • Magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B, Lorentzkraft
  • Magnetische Feldkonstante, Ferromagnetismus, Permeabilität
  • Halleffekt
  • Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern

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Elektronenablenkröhre – Ablenkung von Elektronen im elektrischen Feld

  • Erzeugung eines Elektronenstrahls, e/m- Bestimmung
  • Leitungsvorgänge in Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen

2 Elektromagnetismus

  • Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz
  • Selbstinduktion, Induktivität
  • Magnetfeld als Träger von Energie, Energiedichte
  • Lenz‘sche Regel
  • Erzeugung von Wechselspannung
  • Transformator, Übertragung elektrischer Energie
  • Wechselstromwiderstände, Reihen- und Parallelschaltung, Leistung

3 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

  • elektromagnetischer Schwingkreis (Grundphänomene, Analogie zum mechanischen Oszillator)
  • Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen, Rückkopplung
  • Elektromagnetische Wellen (Ausbreitung, Hertz´scher Dipol), Maxwell´sche Postulate
  • Ausbreitung von Licht (Beugung, Interferenz, Reflexion, Brechung, Polarisation)

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Quecksilberspektrum

  • IR- und UV- Strahlung, Strahlungsgesetze
  • Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen
  • Holographie

4 Relativitätstheorie – nur Leistungskurs

  • Invarianz der Newton´schen Mechanik bei Inertialsystemwechsel
  • Ätherhypothese und Michelson-Versuch
  • Relativistische Kinematik
  • Erhaltungssätze in der relativistischen Dynamik
  • Äquivalenz von Masse und Energie
  • Invarianz der elektrischen Ladung
  • Transformation elektrischer und magnetischer Felder

Qualifikationsphase 2 – Q2 – Schuljahr 12

1 Quanteneffekte

  • Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese
  • Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Bohr´sches Atommodell
  • Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik
  • Heisenberg´sche Unschärferelation
  • Quantenobjekte und Messprozesse
  • Schrödingergleichung und Anwendung (Wasserstoffatom, Tunneleffekt)
  • Pauli-Prinzip (Spin, Aufbau des PSE)

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Aufbau zur Untersuchung des Photoeffektes

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Aufbau zur Elektronenbeugung an Graphitkristallen

2 Atombau und Kernphysik

  • Atommodelle
  • Ionisierende Strahlung (Strahlungsarten, Nachweismethoden)
  • Radioaktiver Zerfall (Zerfallsgesetz, Zerfallsprozesse)
  • Spektroskopie (Röntgen, α- β- γ- Strahlung)
  • Kernspaltung und Kernfusion (Kernbausteine, Bindungsenergie, Kettenreaktion)

Archiv

  • Schüler testen Schülerlabor an der Fachhochschule Bielefeld.
  • “Meine Energie hat Zukunft“..
  • Die 10ten Klassen bauen Elektromotoren
  • Erfolge im Regionalwettbewerb „Jugend forscht / Schüler experimentieren“ in der Kreissparkasse Herford

Physik im Advent – Noch 24 Experimente bis Weihnachten

Physik im Advent – Noch 24 Experimente bis Weihnachten

Ihr nennt es Spielen, wir nennen es Experimentieren. Mit „PiA – Physik im Advent“ haben wir einen Adventskalender der besonderen Art entwickelt: einen physikalischen Adventskalender. Darin stellen wir Jungforscherinnen, Jungforschern und allen, die daran Spaß haben, 24 kleine einfache Experimente und physikalische Rätsel vor. Sie sollen die Freude am Selber-Experimentieren wecken oder für Spannung beim […]

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