Grundlagen der Physik

Mechanik der festen Körper

• Alle Gegenstände, die ein Physiker untersucht, nennt er ganz allgemein-Körper.
• Es interessieren ihn gewisse Eigenschaften der Körper, z. B. ihre Form, ihre Gewichtskraft, ihre Oberflächenbeschaffenheit oder ihre elektrische Leitfähigkeit, aber auch das Zusammenwirken mit anderen Körpern.

Feste Körper: beispielsweise Gegenstände aus Holz oder Metall haben eine bestimmte Gestalt und in der Regel auch ein gleichbleibendes Volumen. Gestalt und Rauminhalt kann man bei diesen Körpern meist nur mit großen Kräften ändern. Der Grund für diese Eigenschaften liegt darin, dass ihre kleinsten Bestandteile, die Moleküle oder Atome, dicht gepackt sind und durch starke Kräfte zusammengehalten werden.

Flüssige Körper: passen ihre Gestalt der jeweiligen Form des Gefäßes an und bilden eine waagerechte Oberfläche. Auch bei ihnen sind die Atome dicht gepackt, sie lassen sich jedoch leicht gegeneinander verschieben, wobei sich das Volumen ebenfalls nicht ändert.

Bei den Gasen kann man dagegen Gestalt und Volumen leicht verändern. Gase haben das Bestreben jeden Raum, der sich ihnen bietet, gleichmäßig auszufüllen. Diese Eigenschaft hat zur Folge, dass bei dieser Gruppe physikalischer Körper zwischen den Atomen, sie sind die Materie der Gase, große leere Räume bestehen.

Viele Stoffe, z. B. Wasser, kennt man in allen drei Formen: als festen Körper (Eis), als Flüssigkeit und im gasförmigen Zustand (Wasserdampf). Lässt sich ein Stoff schmelzen und/oder verdampfen, so spricht man von den verschiedenen Aggregatzuständen eines Stoffes: Diese sind fest, flüssig, gasförmig.

Körper wirken durch Kraft aufeinander ein

Wenn zwei Körper oder mehrere aufeinander einwirken, so nennt man diese Wechselwirkung in der Physik Kraft. Oder man sagt: Die Körper üben Kräfte aufeinander aus. Wenn in der Physik von Kräften die Rede ist, sind stets mehrere Körper im Spiel (min. 2), auch wenn manchmal zunächst nur ein Körper gleich erkannt wird. Man vermeidet in der Physik, einem einzelnen Körper Kraft zuzuschreiben. Ein Magnet, aber auch ein „kräftiger“ Mensch, kann nur Kräfte zeigen, wenn ein weiterer Körper mitwirkt.

Wie man Kräfte erkennt

War ein Körper zuerst in Ruhe, kann er durch Kraft in Bewegung gebracht werden. War ein Körper bereits in Bewegung, so kann durch Kraft seine Geschwindigkeit vergrößert oder verkleinert werden; man sagt deshalb auch, Kräfte beschleunigen Körper. Kräfte können auch die Bewegungsrichtung ändern (ohne gleichzeitig den Betrag der Geschwindigkeit zu ändern).

Der Bewegungszustand eines Körpers wird durch Kraft verändert.

Kräfte erkennt man nur an ihren Wirkungen: Verformung eines Körpers, Beschleunigung eines Körpers, Änderung der Bewegungsrichtung

Jeder Körper beharrt in seinem augenblicklichen Bewegungszustand, wenn er nicht durch Kräfte gezwungen wird, dies zu ändern.

Wovon die Wirkung einer Kraft abhängt

• Die Wirkung einer Kraft hängt in der Regel von drei Gegebenheiten ab:
• Von der Stärke der Kraft; man spricht in der Physik vom Betrag der Kraft.
• Von der Richtung der Kraft. Wenn man einen Wagen, der auf Schienen läuft, mit einer Kraft beschleunigt, deren Richtung schräg zu den Schienen wirkt, hat man viel weniger Erfolg, als wenn man mit einem gleich großen Kraftbetrag parallel zu den Schienen zieht.
• Vom Angriffspunkt der Kraft. Wenn man eine schwere Kiste umstürzen will, geht es viel besser, wenn der Angriffspunkt der Kraft möglichst weit vom Drehpunkt entfernt ist.

Einheit

1 Newton (N)

Die Gewichtskraft wirkt überall

• Eine allgegenwärtige Kraft ist die Gewichtskraft.
• Die Erde und auch die anderen Planeten üben auf jeden Körper in ihrer Umgebung eine anziehende Kraft aus.
• Man spricht von Massenanziehungskraft, Gravitationskraft, Schwerkraft; meist sagt man jedoch: Körper erfahren an der Erdoberfläche eine Gewichtskraft.
• Die Gewichtskraft zeigt stets in Richtung Erdmittelpunkt. Wir bezeichnen diese Richtung an jedem Ort der Erdoberfläche als lotrecht oder senkrecht.
• Der Betrag der Gewichtskraft, die ein Körper auf der Erde erfährt, hängt ab:
• Von Eigenschaften der Erde: a) von der Materie unter unseren Füßen, b) von der Entfernung zum Erdmittelpunkt und damit vom Ort, an dem wir uns befinden;
• Von einer Eigenschaft des Körpers, die als Masse bezeichnet wird.

Die Masse eines Körpers

• Jeder physikalische Körper hat Masse, sie wird in Kilogramm gemessen und mit dem Buchstaben m abgekürzt.
• 1 kg ist festgelegt als die Masse eines bestimmten Körpers, eines Urkilogramms, ursprünglich 1L Wasser.
• Die Größe Masse   beschreibt eigentlich die Eigenschaft, wie stark sich ein Körper gegen die beschleunigende Wirkung einer Kraft „wehrt“ und wird deshalb auch als Trägheit oder Beharrungsvermögen bezeichnet.

Die Dichte Q eines Stoffes

• Misst man den Rauminhalt und die Masse von Gegenständen, so stellt man fest, dass bei Körpern, die aus einem einheitlichen Material bestehen (und auch keine Hohlräume im Inneren haben), Masse und Rauminhalt zueinander proportional sind.
• Eine solche Stoffbeschaffenheit nennt man homogen.
• Die Dichte Q=m: V kennzeichnet also nicht den jeweiligen Körper, sondern die Stoffart, aus der er besteht.

Mechanik der Flüssigkeiten

• Bei Flüssigkeiten haften die Moleküle mit sehr schwachen Kräften aneinander, sie sind einfach gegeneinander verschiebbar.
• Die Wirkungen einer Kraft, wie wir sie bei festen Körpern kennen, sind nicht auf Flüssigkeiten übertragbar.
• Wenn man eine Flüssigkeit vollständig in ein Gefäß einschließt (z. B. in einen Kolbenprober) und versucht, mit einer Kraft auf den Kolben das Volumen der Flüssigkeit zu verringern, dann gerät die Flüssigkeit in einen Spannungszustand, den man Druck nennt.
• Ob eine Flüssigkeit unter Druck steht, kann man nur daran erkennen, dass sie auf jede begrenzende Fläche zu einem anderen Körper eine Kraft ausübt. Diese Kraft auf eine Begrenzungsfläche ist immer senkrecht (orthogonal) zu der Fläche.
• Messgeräte für Druck bezeichnet man als Manometer. Sie messen die Kraft auf eine bestimmte Fläche.

Der Schweredruck

• Im Wasser (und in jeder anderen Flüssigkeit) steigt der Druck mit zunehmender Tiefe an.
• Dieser Druck wird nach seiner Herkunft als Schweredruck bezeichnet.
• In einer bestimmten Wassertiefe h übt die Gewichtskraft der darüberliegenden Wasserschicht eine Kraft aus.
• Der Schweredruck p= Q mal g mal h hat in der Gefäßform in der Tiefe h den gleichen Wert.
• Im Meer ist in der Tiefe der Druck etwas höher, aber nur weil das Salzwasser eine etwas größere Dichte hat als Süßwasser.

Körper in Flüssigkeiten erfahren einen Auftrieb

• Eine Folge des Schweredrucks ist, dass Körper, die in eine Flüssigkeit eintauchen, eine Auftriebskraft erfahren.
• Infolge des Schweredrucks wirken auf einen eingetauchten Körper, die senkrecht (orthogonal) zu seinen Begrenzungsflächen sind.
• Da der Schweredruck mit der Tiefe zunimmt, wirkt auf die Unterseite des Körpers eine größere Kraft (nach oben) als auf seine Oberseite (hier wirkt die Kraft senkrecht nach unten).
• Die Resultierende der beiden Kräfte ergibt die vertikal nach oben gerichtete Auftriebskraft.

•  Man kann zeigen, dass völlig unabhängig von seiner Gestalt ein jeder Körper, der in seine Flüssigkeit eintaucht, eine Auftriebskraft erfährt, deren Betrag so groß ist wie die Gewichtskraft des Flüssigkeitsvolumens, das er verdrängt.

Sinken, Schweben, Steigen, Schwimmen

• Ein Körper sinkt in einer Flüssigkeit vollständig unter, wenn die Gewichtskraft einen größeren Betrag hat als die Auftriebskraft. Für homogene Körper ist dies der Fall, wenn die Dichte des Stoffes, aus dem er besteht, größer ist als die Dichte der Flüssigkeit.
• Ein Körper schwebt, wenn Auftriebskraft und Gewichtskraft ein Gleichgewichtskräftepaar sind. In diesem Fall müssen die Dichten gleiche Werte haben.
• Ein untergetauchter Körper steigt nach oben, wenn die Auftriebskraft die größere Kraft ist. D. h., wenn seine Dichte kleiner ist als die Dichte der ihn umgebenden Flüssigkeit.
• Körper, die in einer Flüssigkeit aufsteigen, schwimmen dann an der Oberfläche, wobei ein Teil von ihnen untergetaucht bleibt.

Mechanik der Gase

• In gasförmigen Körpern sind zwischen den kleinen Bestandteilen große Zwischenräume.
• Selbst bei Zimmertemperatur haben die Moleküle oder Atome so große mittlere Geschwindigkeiten, dass das Gas jeden Raum und jede Gestalt annimmt, die sich ihm bieten.
• Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass man bei eingesperrten Gasen schon mit kleinen Kräften das Volumen verändern kann; man sagt: Gase sind kompressibel (zusammendrückbar).

Der Schweredruck der Luft

• Der Schweredruck, üblicherweise als Luftdruck bezeichnet, nimmt mit der Höhe h über dem Boden ab.
• Weil die Luft- wie alle Gase kompressibel ist, hat ihre Dichte an der Erdoberfläche den größten Wert.
• Da die Dichte mit zunehmender Höhe h abnimmt, verringert sich der Schweredruck in nicht proportionaler Weise mit h.
• Er ist zudem etwas von der Wetterlage abhängig.
• Das zur Messung des Schweredrucks der Luft verwendete Gerät nennt man Barometer.
• Der Druck eingesperrter Gase wird mit einem Manometer gemessen.

Wärmelehre

• Temperaturen werden mit Thermometern gemessen, die in allen europäischen Staaten mit einer Celsiusskala versehen sind; in Amerika wird nach Fahrenheit gemessen.
• Von den elektrischen Thermometern abgesehen, nutzen die meisten Thermometer eine physikalische Eigenschaft aller Körper aus: mit zunehmender Temperatur vergrößern sie ihr Volumen.
• So bestanden schon die ersten Thermometer vor 300 Jahren aus einseitig verschlossenen Glasröhren, in die eine Flüssigkeit eingefüllt worden war.
• Bei einer Temperaturerhöhung dehnen sich die Flüssigkeiten aus (stärker als das Glasgefäß) und der Flüssigkeitsspiegel steigt.
• Die Länge der Flüssigkeitssäule markiert dann einen Temperaturpunkt.
• Bei allen Temperaturskalen spielen 2 Temperaturfixpunkte eine wichtige Rolle.
• Man versteht darunter Temperaturwerte, die von Natur aus unveränderlich sind.
• Nach Celsius sind dies die Schmelztemperatur von Eis (0 °C) und die Siedetemperatur von Wasser (100 °C).
• Den Abstand, den die Marken für diese beiden Temperaturen auf einer Thermometer-Skala haben, bezeichnet man als Fundamentalabstand.
• Bei einer Celsiusskala wird diese Streckenlänge in 100 gleiche Teile abgeteilt; 1 °C ist also der 100ste Teil des Fundamentalabstands.
• Diese Skala wird dann oberhalb des Siedepunktes von Wasser und unterhalb des Schmelzpunkts von Eis mit gleicher Schrittweite fortgeführt.
• Temperaturen unter 0 °C beschreibt man durch negative Zahlen.
• Die in Amerika übliche Fahrenheit Skala beruht auf 2 anderen Fixpunkten: den Temperaturen einer besonderen Kältemischung aus Eis und Salmiak (-32 °C) und unserer üblichen Körpertemperatur (37 °C).
• Auch bei ihr wird der Fundamentalabstand in 100 gleiche Teile unterteilt.
• Die Schmelztemperatur des Wassers beträgt dann 32 °F und die Siedetemperatur des Wassers 212 °F (ca. 100 °C).
• Bei Temperaturanzeigen ist zu unterscheiden zwischen Temperaturpunkten und Temperaturdifferenzen.
• Temperaturdifferenzen werden meist in der Einheit Kelvin angegeben

Je höher die Temperatur eines Körpers, desto größer ist die (mittlere) Geschwindigkeit seiner kleinsten Teilchen (und umgekehrt).

Die Folgen einer Temperaturänderung

• Steigert man die Temperatur eines Körpers, so führen seine kleinsten Teilchen heftigere Bewegungen aus.
• Als Folge davon wird der Platzbedarf etwas größer, der mittlere Abstand zum Nachbarmolekül wächst, das Volumen des Körpers nimmt zu.
• Da bei einer Temperaturänderung die Masse eines Körpers verändert bleibt, nimmt normalerweise die Dichte aller Stoffe mit zunehmender Temperatur ab.

Temperaturänderung in Flüssigkeiten

• Erhöht man die Temperatur einer Flüssigkeitsmenge, so nimmt das Volumen der Flüssigkeit pro Kelvin Temperaturerhöhung zwischen 0,3 % (Wasser) und 0,0011 % (Benzin) zu.
• Beim Abkühlen der Flüssigkeitsmenge verringert sich normalerweise das Volumen. Deshalb sollte man im Sommer den Benzintank nicht randvoll füllen.

Als einzige Flüssigkeit zeigt Wasser zwei Besonderheiten, die man auch Anomalien nennt.

Anomalie des Wassers:

• Warmes Wasser verhält sich zunächst genauso wie jede andere Flüssigkeit: Mit dem Abkühlen verringert sich das Volumen und die Dichte steigt an.
• Bei 4 °C hat Wasser jedoch seine größte Dichte. Kühlt man weiter ab, so nimmt das Volumen wieder zu.
• 1L Wasser von 4 °C ist somit schwerer als 1L Wasser von 6 °C oder von 2 °C. Aus diesem Grund kann auf Wasser von 4 °C sowohl kälteres als auch wärmeres Wasser schwimmen.
• Diese Besonderheit zeigt nur Wasser.
• Sie hat in der Natur eine große Bedeutung.
• Wenn im Herbst und im Winter die Lufttemperaturen sinken, kühlt auch das Wasser an der Oberfläche von Seen ab.
• Ein See kann nur von der Oberfläche her zufrieren.
• Ist die Seetiefe genügend groß, können die Wassertiere am Grund bei 4 °C überleben.

Anomalie des Wassers:

• Diese Besonderheit ist die Ursache dafür, dass das Eis nicht auf den Grund des Gewässers sinkt.
• Beim Gefrieren verhält sich das Wasser nämlich wiederum anders als andere Flüssigkeiten.
• Normalerweise wird das Volumen einer Flüssigkeit beim Erstarren kleiner. Wenn aber Wasser gefriert, so nimmt das Volumen sprunghaft zu: aus 1L Wasser werden 1,1L Eis!
• Auch diese zweite Anomalie des Wassers hat verschiedene Auswirkungen in der Natur.
• Auf einem zufrierendem See schwimmt das Eis an der Oberfläche. Es isoliert und schützt das darunter liegende Wasser vor raschem Vereisen. Das Wasser gefriert langsam von oben nach unten.
• Diese Anomalien des Wassers haben entscheidend dazu beigetragen, dass auf der Erde Leben entstehen konnte.

Innere Energie-Wärme

• Wärme fließt also stets von einem heißeren Gegenstand zu einem kälteren.
• Berühren oder vermischen 2 Körper, so wird, wenn ein Temperaturunterschied besteht, Energie übertragen; man spricht in diesem Fall auch von Wärme(-energie).

•  Die gesamte Energie, die in der Bewegung der Teilchen und in ihrer Anordnung gespeichert ist, wird heute als innere Energie bezeichnet. Damit kann man sagen: Je höher die Temperatur eines Körpers, desto größer ist seine innere Energie.

Wie misst man Wärme?

• Will man die Temperatur eins Körpers erhöhen, so muss man ihm Energie zuführen, entweder durch Arbeit oder durch Wärme. Je mehr Energie wir zuführen, desto größer ist die Temperaturerhöhung.

Optik

In völliger Dunkelheit kann man nichts sehen. Erst wenn Licht durch die Pupille des Auges tritt und die Sehzellen der Netzhaut trifft, reagiert der Gesichtssinn auf diesen Reiz.

Lichtquellen

• Heiße Körper (Sonnenoberfläche, Kerze, Glühfaden einer Lampe …) sind selbstleuchtend.
• Die meisten Gegenstände unserer Umgebung sind dagegen nicht selbstleuchtend; wir nehmen sie nur wahr, wenn sie durch das Licht einer Lichtquelle beleuchtet werden.
• Bei lichtundurchlässigen Körpern wird dann ein Teil des auffallenden Lichts an der Oberfläche dieser Körper „in alle Richtungen“ zurückgeworfen (reflektiert, gestreut).
• Nur wenn ein Teil dieses Streulichts in unser Auge eintritt, nehmen wir diese Gegenstände wahr.
• Ob sie uns matt oder glänzend, schwarz oder farbig erscheinen, hängt von ihrer Oberflächenbeschaffenheit ab.

3 Formen von Lichtbündeln:

• Parallellichtbündel mit parallelen Lichtstrahlen
• Divergente Lichtbündel mit auseinanderlaufenden Strahlen
• Konvergente Lichtbündel mit Strahlen, die auf einen Punkt zulaufen

Ausbreitung von Lichtstrahlen

• Von Lichtquellen breiten sich Lichtstrahlen in allen Richtungen aus.
• Innerhalb eines lichtdurchlässigen Stoffes von gleichartiger Beschaffenheit (Glas, Wasser, Luft von einheitlicher Temperatur …) breiten sich Lichtstrahlen geradlinig aus. Dies gilt auch für die Lichtausbreitung im Vakuum.
• Hinter lichtundurchlässigen Körpern entstehen deshalb Schattenräume.
• Quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung zeigen Lichtstrahlen keine Wirkung. So kann Licht, das nicht direkt in unser Auge eintritt, nicht wahrgenommen werden.
• Lichtstrahlen können sich ungestört durchkreuzen; dies gilt insbesondere auch für farbige Lichter.
• Der Weg eines Lichtstrahls kann prinzipiell auch in entgegengesetzter Richtung durchlaufen werden

Reflexion des Lichts

Wird ein Lichtbündel auf eine sehr glatte Oberfläche (Glas, Wasser, polierte Metalle …) gerichtet, so wird ein großer Anteil des Lichts in eine bestimmte Richtung zurückgeworfen, man spricht von einer Reflexion des Lichts. Besonders groß ist der Anteil des reflektierten Lichts bei Spiegeln. Die Vorzugsrichtung, in der das Licht reflektiert wird, beschreibt man durch die zwei Sätze, das Reflexionsgesetz.

Lichtbrechung

• Hält man einen Trinkhalm schräg in ein Glas und blickt von oben auf die Flüssigkeit, so sieht der Trinkhalm „geknickt“ aus. Diese Täuschung beruht auf der sogenannten Brechung der Lichtstrahlen an der Flüssigkeitsoberfläche.
• Tritt Licht aus einem Stoff kommend in einen anderen Stoff ein, so erfährt der Lichtstrahl an jeder Grenzfläche der beiden Stoffe einen Richtungsknick; man spricht von Brechung. Bei einem sehr senkrechten Auftreffen entfällt der Knick, anders gesagt: Der senkrecht auf die Grenzfläche treffende Lichtstrahl wird nicht gebrochen.

Man unterscheidet zwei Fälle:

• Ist Beta kleiner als Alpha, so sagt man: Die Brechung erfolgt zum Lot hin und das Medium 2 ist im Vergleich zu Medium 1 optisch dichter.

• 

• Ist Beta größer als Alpha, so sagt man: Die Brechung erfolgt vom Lot weg und das Medium 2 ist im Vergleich zu Medium 1 optisch dünner.

Das Brechungsgesetz

• Für den Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel Alpha und dem Brechungswinkel Beta bei einem Übergang des Lichts von einem optisch dünneren in einen optisch dichteren Stoff zwar: je größer Alpha, desto größer auch Beta, jedoch besteht zwischen diesen beiden Größen keine Proportionalität.

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Weitere Quellen zu den Grundlagen der Physik

Physikalische Grundlagen
Grundwissen Physik
Grundlagen der Physik