Q34-Phase: Quanten- und Atomphysik
2019/2020

Einführung 2021/2022

Die grundlegenden Erfahrungen und Experimente der Quantenphysik führen zu der Erkenntnis, dass Mikroobjekte durch die Konzepte der klassischen Physik nicht vollständig und widerspruchsfrei beschrieben werden können. Kausalität, Determinismus und der klassische Bahnbegriff werden bei der Einführung der Quantenphysik in Frage gestellt. Die historische Entwicklung der Atommodelle und die philosophischen Konsequenzen der Quantenmechanik bieten Raum für Diskussionen. Aus den weiteren Themenbereichen kann als Thema für den Leistungskurs im letzten Schulhalbjahr frei gewählt werden. LeifiPhysik

1. Organisation

Pro Halbjahr werden zwei Klausuren geschrieben.

Klausuren Q3 2021/2022
Tafelskript

Das PDF mit der Tafelmitschrift kann hier heruntergeladen werden.

Rechtliches

  1. KCGO Physik (Neuste Fassung von 2016)
  2. Matrix – Kompetenzbereiche, Bildungsstandards und Themenfelder

Das Abiturerlass LA2022

Laut dem Abiturerlass für das Landesabitur 2022 werden sich die Prüfungsaufgaben im schriftlichen Abitur im grundlegenden und im erhöhten Niveau (Grundkurs und Leistungskurs) schwerpunktmäßig auf die nachfolgend aufgeführten Themenfelder und Konkretisierungen des KCGO beziehen.

Im Amtsblatt vom April 2021 wurden die Themenfelder Q3 konkretisiert.

  • Q3.1 Eigenschaften von Quantenobjekten
  • Q3.2 Atommodelle

Grundlagen

Diese Themenfelder aus E1/E2 bilden die Grundlage für die Q-Phase.

E1/E2 Mechanik
  • E.1 Bewegungen und ihre Beschreibung
  • E.2 Newton’sche Axiome und Erhaltungssätze
  • E.3 Waagerechter Wurf und Kreisbewegung
  • E.4 Weitere Bewegungen , E.5 Gravitation, E.6 Entropie , E.7 Kreisel

Schriftliches Abitur

Diese Inhalte aus Q1, Q2 und Q3 werden Thema des schriftlichen Abiturs und der Klausuren der jeweiligen Halbjahre.

Q1 Elektrisches und magnetisches Feld
  • Q1.1 Elektrisches Feld
  • Q1.2 Magnetisches Feld
  • Q1.3 Induktion
  • Q1.4 (gestrichen im Abi 2022) Bewegung von Ladungen in Feldern in technischen Anwendungen
Q2 Schwingungen und Wellen
  • Q2.1 Schwingungen
  • Q2.2 Wellen
  • Q2.3 (gestrichen im Abi 2022) Wellen an Grenzflächen
  • Q2.4 (gestrichen im Abi 2022) Dopplereffekt, Schwebung
Q3 Quanten- und Atomphysik
  • Q3.1 Eigenschaften von Quantenobjekten
  • Q3.2 Atommodelle
  • Q3.3 (gestrichen im Abi 2022) Röntgenstrahlung
  • Q3.4 (gestrichen im Abi 2022) Mikroskopische Stoßprozesse
  • Q3.5 (gestrichen im Abi 2022) Kernphysik

Mündliches Abitur

Themenfelder aus Q4 können dann nur noch im mündlichen Abitur abgefragt werden und bilden natürich den Inhalt der letzten Klausur in Q4.

Q4 Physik der Moderne

Zwei Themenfelder müssen von der Lehrkraft gewählt werden

  • Q4.1 Kernphysik
  • Q4.2 Spezielle Relativitätstheorie
  • Q4.3 Festkörperphysik
  • Q4.4 Chaostheorie
  • Q4.5 Astrophysik

Quantenphysik (Photonen)

2. Lichtquanten. Der Photoeffekt.

Material für diese Einheit:

Fragen:

  • Beschreiben Sie die Beobachtung beim Hertz und Hallwachs Versuch und formulieren Sie eine Erklärung.
  • Warum läßt sich die Beobachtung nicht mit der Wellentheorie des Lichts erklären?

3. Vorbereitung und Messung des Planckschen Wirkungsquantums

Material für diese Doppelstunde:

  • DEMO Experiment: Fotoeffekt und die Gegenfeldmethode
  • Cornelsen S. 282
  • Metzler S. 378
  • LeifiPhysik: Gegenfeldmethode

Beschreiben und erklären Sie die Messung indem Sie die Fragen beantworten:

  1. Womit wird die Kathode bestrahlt und was passiert dabei?
  2. Wozu wird die Gegenspannung U_g benutzt?
  3. Wie ändert sich die gemessenen Stärke des Fotostromes bei Erhöhung der Gegenspannung und warum?
  4. Welchem Messwert kann man die kinetische Energie der Elektronen entnehmen?
  5. Welche Kurve wird bei einer Auftragung der Frequenz (x-Achse) und der kinetischen Energie (y-Achse) erwartet?
  6. Wie können folgende Werte der Auftragung entnommen werden: Planksches Wirkungsquantum , Grenzfrequenz , Austrittsarbeit?
  7. Was bedeuten diese Werte physikalisch?

Führen Sie das Experiment durch und bestimmen Sie die Planksche Konstante

4. Besprechung der Auswertung zur Messung des Planckschen Wirkungsquantums

Material für diese Doppelstunde:

  1. Die Auswertung des Experimentes
  2. Cornelsen S. 282
  3. Metzler S. 378
  4. LeifiPhysik: Gegenfeldmethode

Fragen:

  1. Bestimmen Sie das plancksche Wirkungsquantum und die Austrittsarbeit mit Hilfe der Messung.
  2. Bestimmen Sie die relative Abweichung der Messwerte von den im Buch veröffentlichten und schätzen Sie die Güte der Messung ein.
  3. Diskutieren Sie die Abweichung und den Fehler und nennen Sie Faktoren, die dazu geführt haben.

Weiterführende Frage:

  1. Erläutern Sie den Unterschied zwischen dem äußeren und inneren Fotoeffekt.

HA: LeifiPhysik: Quiz zum Photoeffekt

5. Die Lichtquantenhypothese

Material für diese Einheit:

  • Metzler S. 380

Formulieren Sie die Antwort nochmal schriftlich:

  • Warum kann beim Fotoeffekt die Energieübertragung vom Licht auf Elektronen nicht mit der Vorstellung von Licht als Welle erklärt werden?

Zum Rechnen:

  • Bestimme die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde einen Laserpointer der Leistung P = 5 mW und Wellenlänge 𝜆 = 500 nm verlassen.

HA: Metzler S. 379 A1 und A2

6. Quantenhafte Emission von Licht

Material für diese Doppelstunde:

Führen Sie das Experiment durch und bestimmen Sie die Planksche Konstante

7. Impuls von Photonen

Material für diese Einheit:

  • Cornelsen S. 286

A. Aufgaben:

  • Leiten Sie die Formel für den Impuls eines Photons her
  • Erklären Sie, warum ein Komet zwei Schweife hat.

9. Verteilung der Photonen im Raum

Material:

  • Metzler S. 386

A. Beantworten Sie die Fragen im Heft:

  1. Beschreiben Sie ein Experiment, das eindrucksvoll zeigt, dass man keine genauen Vorhersagen über den Registrierungsort eines Photons machen kann.
  2. Beschreiben Sie das Experiment von Taylor 1909.
  3. Wie ist die Wahrscheinlichkeitsdichte definiert?

B.Berechnen Sie:

  • Metzler Aufgabe 1 Seite 387: Anzahl der Photonen, die ein menschliches Auge wahrnehmen kann.

10. Aufgabenworkshop Photonenimpuls und Comptonstreuung LK

A. Aufagben ohne Comptonstreuung

Cornelsen:

  • Aufgabe 1 Seite 287 (Energie des Lichtes)
  • Aufgabe 2 Seite 287 (Grenzen des Wellenmodells)
  • Aufgabe 3 Seite 287 (Austrittsenergie/ Experimentelle Bestimmung)
  • Aufgabe 5 Seite 287 (Austrittsenergie/ rechnerische Bestimmung) --Metzler:__
  • Aufgaben Seite 387

B. Aufgaben mit Comptonstreuung:

  • Metzler: A3, A4, A5 S.385
  • Cornelsen: A1, A3 S. 289

11. Wahrscheinlichkeitsdeutung und Quanteninterferenz

Material:

A. Recherchieren Sie im Buch und beantworten Sie die folgenden Fragen in Ihrem Heft

  1. Erklären Sie, inwiefern die Energie des monochromatischen Lichtes quantisiert ist.
  2. Erklären sie am Beispiel, was sich und was sich nicht aus der Intensität und der Größe der Energiequanten berechnen lässt.
  3. Erklären Sie den Unterschied zwischen den klassischen und den quantenmechanischen Phänomenen, die sich nur mit Hilfe der Wahrscheinlichkeit beschreiben lassen.

B. Recherchieren Sie zur Kopenhagener Deutung.

  • Material: Cornelsen 324, Metzler 404
  • Formulieren Sie die Aussagen der Kopenhagener Deutung.
  • Wer war der Begründer der Kopenhagener Deutung?
  • Formulieren Sie die Kritikpunkte der Kopenhagener Deutung.

B. Recherchieren Sie im Buch und bereiten Sie eine Präsentation über die Quanteninterferenz vor.

  • Gehen Sie auf Probleme ein wie: "Interferenz eines Photons mit sich selbst", "Interterferenz und Information", "Quantenradierer".
  • Formulieren Sie das Fundamentallprinzip der Quantenmechanik.

C. Recherchieren Sie im Buch und Internet und erläutern Sie das Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment

  • Wie ist das Experiment aufgebaut und was wird beobachtet?
  • Was bedeutet "Verschränkung"?
  • Ist die Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit möglich?
Weiterführende Fragen:
  1. Was bezeichnet die "Nicht-Lokalität" der Quantenmechanik?
  2. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Quantenkryptographie und dem EPR-Experiment?
  3. Welche zwei unterschiedliche Interpretationen der Unschärferelation haben Niels Bohr und Werner Heisenberg in der kopenhager Deutung der Quantenmechanik formuliert?

Quantenphysik (Materie)

12. Elektronen als Quantenobjekte

Material:

  • Cornelsen S. 315
  • Metzler S. 390
  • Film: Quantenmechanik Doku

A. Schauen Sie den Film "Quantenmechanik Doku" ab Minute 10:38 an.

B. Notieren Sie:

  1. Leiten Sie die De-Broglie-Wellenlänge aus dem Impuls des Photons her.
  2. Welche Experimente deuten auf einen Quantencharakter der Elektronen?
  3. Wie können Sie die De-Broglie- Wellenlänge des Elektrons ändern?

3. Bearbeiten Sie die Aufgabe schriftlich

Bestimmen Sie die De-Broglie-Wellenlänge eines durch Spannung von 3000 V beschleunigten Elektrons und vergleichen Sie sie mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

13. Interferenz am Doppelspalt und an Kristallen

Material:

  • Cornelsen S. 315
  • Metzler S. 390
  • DEMO Experiment: Elektronenbeugung an Kristallen

A. Leiten Sie die Bragg'sche Gleichung her.

B. Bearbeiten Sie die Aufgaben

Rechenaufgaben Cornelsen 319:

  • Auf. 1 S. 319 Erläutern
  • Auf. 2 S. 319 Interferenz Rechnen
  • Auf. 3. S. 319 Interferenzbedingungen
  • Auf. 4. S. 319 Interferenzbedingungen

Rechenaufgaben Metzler 391:

  • A2. Vergleich Impuls und kinetische Energie

Rechenaufgaben Metzler S. 393:

  • A1, A2, A3

14. Neutronen, Atome, Moleküle

Material:

  1. Cornelsen S. 319 (Thema)
  2. Metzler S. 394 (Exkursion)
  3. Zum Fulleren siehe C_60 Metzler S. 394

A. Bearbeiten sie schriftlich

Arbeitsblatt 72: Quantenobjekt am Gitter

16. Materiewellen

Material:

  1. Cornelsen S. 320
  2. Metzler S. 392 / S. 400

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Warum wird zur Beschreibung eines Quantenobjektes eine Wellenfunktion benötigt?
  2. Wie ist die komplexe Wellenfunktions \Psi definiert?
  3. Was können Sie über die physikalische Bedeutung der Wellenfunktion sagen?
  4. Wie berechnen Sie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen hinter einem Doppelspalt?

1. KA Q3-LK Physik

Inhalt 2019:

Das Thema der 1. Kursarbeit lautet: "Die Quantenphysik der Photonen und der Materie" und bezieht sich inhaltlich auf die Lektionen 1.1-2.3 dieser Website mit folgenden Einschränkungen und Ergänzungen:

  • Inhalt der Lektion 1.10 bezieht sich nur auf die ersten drei Fragen (Arbeitsauftrag 1)

Formelsammlung

Die Verwendung einer Formelsammlung ist erlaubt und wird ausdrücklich empfohlen.

Quantenphysik (Wahrscheinlichkeit)

17. Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation.

Material:

  1. Cornelsen S. 323
  2. Metzler S. 396

A. Beantworten Sie die folgende Frage im Heft

Schreiben Sie die Unschärferelation für die komplementären Größen Impuls/Ort und Energie/Zeit auf und formulieren Sie eine Deutung.

B. Übung

  1. Bestimmen Sie die Unschärfe bei der Ortsangabe \Delta x für einen Körper der Masse m=1kg, bei dem die Geschwindigkeit v=1 m/s mit einer Genauigkeit von 0,001% angegeben werden kann.
  2. Führen Sie dieselbe Rechung für ein Elektron durch.

18. Das Unschärfeprinzip LK

Material:

  • Metzler S. 396

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Wie entsteht ein Schwingungspaket (Wellenpaket)?
  2. Welche Unschärferelation besteht für die Zeit des Wellenpaketes (Dauer der Emission) und ihrer Energie.
  3. Wie hängt die Unschärferelation von der Form der Einhüllenden (der Form des Wellenpaketes) ab?
  4. Können wir durch technische Verbesserung der Messverfahren die Unschärferelation verkleinern?

B. Übung

Wie kann die Impulsunschärfe bei Elektronen die einen Einfachspalt passieren abgeschätzt werden? Abb 397.1

19. Messung der Unschärfe bei Photonen LK

Material:

  • Metzler S. 398

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Welcher Zusamenhang besteht zwischen der Koharenzlänge eines Wellenzuges \(\Delta x\) und der Linienbreite \(\Delta \lambda\)?

B. Bereiten Sie eine mündliche Präsentation vor:

  • Wie wurde die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation im dargestellten Experiment mit der Quecksilberhöchsdrucklampe bestättigt?

B. Übung

A1 A2 A3 S399

20. Die Wellenfunktion LK

Material

  1. Metzler S. 400

A. Schreiben Sie die drei im Buch dargestellten Überlegungen zur Psi-Funktion auf.

21. Schrödinger Gleichung -optional

Das Thema ist auch für den LK fakultativ. Und dennoch lohnt es sich, eine gewisse Vorstellung von der Schrödinger Gleichung zu erarbeiten, um ein besseres Verständnis der dargestellten Zusammenhänge aufzubauen.

A. Folgen Sie dem kurzen Vortrag des Lehrers und machen Sie sich Notizen.

Atomphysik

22. Entwicklung der Atommodelle

Material:

  • Cornelsen S328
  • FILM: 049 Das Atom - John Dalton und Niels Bohr- Meilensteine

Übertragen Sie die folgende Tabelle ins Heft und lernen Sie sie auswendig.

Modell Entdecker, Ideengeber
Teilchen Demokrit
Kugeln Dalton, verschiedene Massen derselben Kugeln
Rosinenkuchen Thomson, Entdeckung des Elektrons
Kern und Hülle Rutherford, Entdeckung des Kerns
Planetarisch Bohr, Entdeckung der Energieniveaus
Orbitale Stationäre Lösungen der Schrödinger-Geichung

23. Linienspektren und die Energieniveaus in Atomen

Material:

  • Cornelsen S332
  • Metzler S409

A. Beantworten Sie folgende Fragen im Heft:

  1. Wie lauten die Wellenlänge- und Frequenz-Gleichungen, die die Emissionslinien des Wasserstoffatoms beschreiben?
  2. Beschreiben Sie die Lage der Linien der Balmer Serie. Machen Sie eine Skizze.
  3. Was ergibt sich für n_2 -> unendlich?
  4. Wie lautet die Verallgemeinerung duch Rydberg?

B. Bereiten Sie Präsentationen am Diagramm 333.1 vor.

C. Beantworten Sie folgende Fragen im Heft:

  1. Welche Interpretation der Emissionsspektren hat Niels Bohr vorgeschlagen?
  2. Was wird als Quantensprung bezeichnet?
  3. Was wird als Grundzustand bezeichnet?

4. Bereiten Sie Präsentationen am Diagramm 333.2 vor.

Hausaufgaben

Berechnen Sie die Frequenz, Wellenlänge und Energie der Strahlung, die das Wasserstoffatom emitiert, wenn es

  • vom Enerieniveau n_2=3 auf das Energienivieau n_1=2 und
  • vom Enerieniveau n_2=2 auf das Energienivieau n_1=1 wechselt.

24. Bohr'sches Atommodell

Material:

  • Cornelsen S333
  • Metzler S414
  • Film: 074 Max Planck und die Quantenphysik

1. Entwerfen Sie ein Plakat zum Bohrschen Atommodell.

Gehen Sie im Besonderen auf die folgenden Fragen ein:

  1. Worauf führte Bohr die diskterten Linien im Emissionsspektrum?
  2. Wie sieht das Bohrsche Atommodell aus?
  3. Wie lautet das erste Bohrsche Postulat, was wird als Quantenzahl und was als Quantenbedingung bezeichnet?
  4. Wie lautet das zweite Bohrsche Postulat?
  5. Was sind die Grenzen des Bohrschen Atommodells?

2. Aufgaben

  1. Leiten Sie die Bohrschein Radien her.

  2. Leiten Sie die Energieniveaus her.

    Tipp: \(E_{ges}=E_{kin}+E_{pot}= {1 \over 2} mv^2 + {1 \over 4\pi \epsilon_0} {Q_1 Q_2 \over r}\)

  3. Metzler: *A4 S415

26. Wasserstoffähnliche Atome

Material:

A. Notieren Sie in Ihrem Heft.

  1. Was bezeichnet man als Wasserstoffähnliche Atome
  2. Wie lautet die Formel für die Energieniveaus der wasserstoffählichen Atome.
  3. Was unterscheidet die Rydbergatome von den wasserstoffählichen Atomen.

B. Notieren Sie

  1. Stellen Sie die Energiedifferenzen für den Quantensprung im Wasserstoffatom und im Wasserstoffähnlichen Atom (Ein-Elektron-System) gegenüber.
  2. Machen Sie sich den Unterschied zwischen der Rydbergenergie und der Rydbergkonstante klar.

Hausaufgabe:

ABI 2017 LK B2

27. Fraunhof'sche Linien

Material:

  • Handspektrometer
  • Spektrometer
  • Cornelsen S. 340

A. DEMO: Salz in der Flamme

Beobachten Sie das Experiment mit Hilfe der Handpektrometer

Gut zu wissen:

Während das Emissionsspektrum verdünnter Gase ein Linienspektrum ergibt, emittieren heiße Festkörper und Flüssigkeiten ein kontinuierliches Spektrum, weil die einzelnen Atome zusätzlich miteinander wechselwirken und somit die diskreten Quantenzustände ineinander übergehen.

C. Machen Sie sich eine kurze Notiz:

  1. Was sind Fraunhof'sche Linien
  2. Wie sieht das Emissionsspektrum von Salz aus?

28. Lumineszenz (Fluoreszenz und Phosphoreszenz)

Material:

  • Experimentierkasten Lumineszenz
  • Spektrometer
  • Cornelsen S. 342

A. Beantworten Sie die Fragen im Heft:

  1. Erklären Sie das Phänomen der Fluoreszenz und geben Beispiele für fluoreszierende Stoffe
  2. Erklären Sie das Phänomen der Phosphoreszenz und geben Beispiele für verzögert fluoreszierende Stoffe.
  3. Erläutern Sie die Wirkungsweise optischer Aufheller und begründen Sie, dass sich ihre Wirkung am besten im Freien entfaltet.

29. Vom klassischen zum quantenmechanischen Atommodell LK

30. Der lineare Potentialtopf LK

Material:

  • Metzler, S 240

A. Beantworten Sie im Heft:

  1. Leiten Sie die Energieniveaus für ein Teilchen in einem Potentialtopf her.
  2. Welche Randbedingungen müssen Sie annehmen, wenn das Potential nicht unendlich tief ist.
  3. Wie sehen die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für die ersten drei Energieniveaus aus?

B. Übungen

  1. Berechnen Sie die Energie und Wellenlänge für a=10-9
  2. Metzler: A1 S241

31. Geschichte der Quantenmechanik

optional

Material:

  • Film: 049 Das Atom - John Dalton und Niels Bohr - (15 Min)
  • Film: 074 Max Planck und die Quantenphysik - (15 Min)

A. Arbeitsauftrag

Schauen Sie die zwei Filme an und notieren Sie sich jeweils drei für Sie interessante, überraschende, wichtige Zusammenhänge oder Informationen in Ihrem Heft.

32. Die Schrödingergleichung und das Periodensystem LK

optional

1. Auftrag

Folgen Sie dem Lehrervortrag und notieren Sie mindestens drei Zusammenhänge, die Ihnen am wichtigsten erscheinen.

35. Rydberg'sche Serienformel

36. Spektren im sichtbaren Bereich

37. Der Helium-Neon-Laser

Material:

A. Erstellen Sie ein Plakat/ eine DIN A4 Seite in Ihrem Heft

Erstellen Sie ein Plakat, mit dessen Hilfe Sie die Funktionsweise des Lasers erklären können.

B. Aufgabenvorschläge

Aufgaben zum Laser Leifiphysik

C. Weitere Aufgaben nach Wahl

  • Cornelsen S. 365
  • Metzler S. 443

38. Berechnung der Absorptionsspektren von Farbstoffmolekülen

Material:

  • Metzler S. 444

A. Bearbeiten Sie die Aufgaben 1, 2, und 3* auf Seite 445

39. Wissenstest Atomphysik

Material:

  • Metzler S. 448

1. Auftrag

Wählen Sie eine der Aufgaben und bereiten Sie eine Präsentation der Lösung vor.

2. KA Q3-LK Physik

Dauer: (4-Schulstunden/ 180 Minuten)

Inhalt 2019:

: Das Thema der 2. Kursarbeit lautet: "Atomphysik" und bezieht sich inhaltlich auf die Lektionen 1.1-4.5 dieser Website mit folgenden Einschränkungen und Ergänzungen:

  • Inhalt der Lektion 1.10 bezieht sich nur auf die ersten drei Fragen (Arbeitsauftrag 1)
  • Auf die Inhalte der Lektionen 3.1-3.5 (Wahrscheinlichkeit) wird kein Schwerpunkt gelegt.
  • Der Schwerpunkt liegt auf den Lektionen 4.1-4.5 (Atomphysik).

Formelsammlung

Die Verwendung einer Formelsammlung ist erlaubt und wird ausdrücklich empfohlen.

Wiederholung

Im Kapitel "Wiederholung" finden Sie verschiedene Themen/ Links/ Aufgaben aus Q1,Q2 udn Q3

40. Aufgaben

Thema Aufgaben
Unschärferelation Aufgaben auf LeifiPhysik
Netzwerke von Widerständen und Kondensatoren Metzler S229 A12, A13, A14
Aufbau von Kondensatoren Metzler S229 A15, A16
Laden und Entladen eines Kondensators Metzler S229 A17, A18
Lorentz-Kraft Metzler S235 A4, A5
Hall-Effekt Metzler S237 A2, A3

Spezielle Relativitätstheorie und Astrophysik

41. Grundlagen

Material:

  • Cornelsen S424
  • Metzler S351

Recherchieren Sie im Text und bereiten Sie eine Präsentation der folgenden Themen:

  • Relativitätsprinzip von Galilei, Bezugsystem, Inertialsystem
  • Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
  • Äthertheorie und das Michelson-Morley-Experiment
  • Die Konsequenz des Michelson-Morley-Experiment und die Einstein-Postulate

Recherchieren Sie im Text und bereiten Sie eine Präsentation der folgenden Themen:

Gruppe A Gruppe B
Gleichzeitigkeit Gleichzeitigkeit
Zeitdilatation Längenkontraktion

42. Zeitdilatation und Längenkontraktion

Material:

  • Cornelsen S429
  • Metzler S352

A. Recherchieren Sie im Text und bereiten Sie eine Präsentation der folgenden Themen:

Erläutern Sie das Problem der Synchronisation von Uhren und Gleichzeitigkeit in bewegten Inertialsystemen.

Diskutieren Sie die Zeitdilatation. Wie berechnen Sie die Zeit \(\Delta t'\) im bewegten Inertialsystem, die man im ruhenden Inertialsystem beobachtet.

B. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S355 Metzler: Weltraumfahrer
  • A2 S355 Metzler: Vorbeifliegende Rakete
  • A1 S356 Metzler: Myonen zum Ersten
  • A2 S356 Metzler: Menschliche Myonen
  • A3 S356 Metzler: Verdopplung der Halbwärtszeit

C. Recherchieren Sie im Text und bereiten Sie eine Präsentation der folgenden Themen vor:

  • Diskutieren Sie die Längenkontraktion. Wie berechnen Sie die Zeit l im bewegten Inertialsystem, die man im ruhenden Inertialsystem beobachtet.

D. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A2 S358 Metzler: Myonen zum Zweiten
  • A3 S358 Metzler: Star Wars

43. Raum-Zeit-Diagramme

Material:

  • Cornelsen S435
  • Metzler S359

A. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S359 Metzler: Koordinaten in drei Bezugsystemen
  • A2 S359 Metzler: Geschwindigkeit bestimmen

B. Recherchieren Sie im Text und erläutern Sie die folgenden Themen:

Wie ist ein Minkowski-Diagramm aufgebaut? Wie werden die Achsen skaliert? Wie lese ich die Koordinaten in verschiedenen Bezugsystemen in einem Minkowski-Diagramm ab?

C. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S361 Metzler: Minkowski-Diagramm 1
  • A2 S362 Metzler: Minkowski-Diagramm 2

44. Hertzsprung-Russel-Diagramme

Material:

  • Cornelsen S464

A. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • Zeichnen Sie das Hertzspring-Russel-Diagramm 465.1 ab und beschreiben Sie die Position der Hauptreihensterne, der roten Riesen, Überriesen, Weißen Zwerge und der Sonne.

B. Recherchieren Sie im Text und erläutern Sie die folgenden Aspekte:

  • Wo liegen die Sterne, die man normale Zwerge nennt?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Photosphärentemperatur gilt für die Hauptreihensterne?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Masse gilt für die Hauptreihensterne?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Radius gilt für die Hauptreihensterne?
  • Was charakterisiert die verschiedenen Sternentypen?

C. Recherchieren Sie im Text zur Sternenentstehung und Sternenentwicklung (Cornelsen S.466) sowie im Internet:

  • Beschreiben Sie die jeweiligen Stationen der Sternentwicklung kurz, z.B. tabelarisch
Entwicklung Beschreibung
Interstellare Materie & Sternentstehung ?
Protostern ?
Hauptreihenstadium ?
Riesenstadium ?
Planetarische Nebel ?
Weiße Zwerge ?
Neutronensterne ?
Supernovae ?
Schwarze Löcher ?
  • Skizzieren Sie kurz den Entwicklungsablauf eines Sterns im Hertzsprung-Russel-Diagramm

Luftströmung im Windkanal

45. Vorüberlegungen

A. Wie kann ich den Luftwiderstand messen?

1. Beschreiben Sie das Experiment und diskutieren Sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ansätze für den Experimentaufbau.

B. Wie lautet die Formel für die Berechnung des Luftwiderstandes?

1. Wie kann ich die einzelnen Größen bestimmen.

2. Wie bestimme ich den \( c_w \) Beiwert?

C. Besorgen

  • Knete
  • Schaschlikspieße
  • Räucherstäbchen

Abschluss des Projektes

Zum Abschluss erstellt jede Gruppe ein Projektbericht als PDF. Der Bericht beinhaltet:

  • Entstehungsschritte des Projektes
  • Aufbau der Experimente
  • Ergebnisse/ Messungen
  • Auswertungen/ Konklusionen/ Erkenntnisse
  • Viele Bilder und Photos

Es wird zudem ein Projektvideo (Bericht) für die Schulhomepage erstellt.

46. Arbeitsgruppen 2022

Es wurde beschlossen, dass die Arbeit in Zweiergruppen aufgeteilt wird

A. Messung der Luftgeschwindigkeit

Bisher weiß man noch nicht, wie man die Luftgeschwindigkeit messen könnte. Es existieren aber einige Ideen. Diese Gruppe beschäftigt sich mit einem Experimentaufbau zur Messung der Luftgeschwindigkeit und der Durchführung der Messung.

B. Messung der Kraft

Die ersten Probemessungen ergaben Probleme, da das Messinstrument die Messung beeinflusst. Diese Gruppe beschäftigt sich mit dem Experimentaufbau, so dass die Luftwiderstandskraft möglichst exakt gemessen werden kann.

C. Datenaufnahme, Datenverarbeitung

Die anfallenden Daten zur Kraft-Zeit-Messung müssen verarbeitet werden und allen Teilnehmer zur Verfügung gestellt werden. Diese Gruppe beschäftigt sich mit dieser Aufgabe.

D. Theoretische Grundlagen.

Wie berechne ich den Luftwiderstand? Was muss gemessen werden? Wie messe ich die Stirnfläche A? Die wichtige Formel ist einfach, daher entwickelt diese Gruppe ein Verfahren zur Messung der Stirnfläche.

E. Das Tournier

Um die zum Wettkampf um das stromlinienförmigste Auto antrettenden Gruppen mit Vorgaben zu versorgen, benötigt man klare Regeln. Diese Regeln können nicht aufgestellt werden, ohne dass man die Physik und die experimentellen Unwegsamkeiten versteht und überblickt. Diese Gruppe beschäftigt sich also mit dem Thema der Vergleichbarkeit der Ergebnisse und stellt Regeln für den Wettbewerb auf.

47. Das könnte noch gemessen werden

Unterschied im Luftwiderstand mit einer Strasse, die sich unter dem Objekt befindet.

Messung des c_w Beiwerts

Visualisierung der Luftstroms mit Räucherstäbchen

48. Interessante Links

F1 in der Schule 2013

THEMEN DER Q34-PHASE: Quanteneffekte, Stochastische Deutung von Quantenobjekten, Überblick über die klassischen Atommodelle, Wahlthema: Festkörperphysik, Kernphysik, Elementarteilchenphysik, Astrophysik, Relativitätstheorie, Chaotische Vorgänge

Impressum

Bei Fragen wenden Sie sich bitte an:

Thomas Pawletko
Heinrich-von-Gagern-Gymnasium
Bernhard-Grzimek-Allee 6-8
60316 Frankfurt am Main
Telefon: 069 212-35150 | Fax: 069 212-40537 | Schulhomepage