Joachim Grehn – Joachim Krause

Qualifikationsphase Grundkurs Ausgabe Nordrhein-Westfalen

Joachim Grehn, Joachim Krause, Georg Peters, Dr. Herbert Kurt Schmidt, Dr. Heiner Schwarze

Schroedel

Qualifikationsphase Grundkurs Ausgabe Nordrhein-Westfalen herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause bearbeitet von Joachim Grehn Joachim Krause Georg Peters Dr. Herbert Kurt Schmidt Dr. Heiner Schwarze unter Mitarbeit von Gerhard Glas Joachim Gomoletz Prof. Dr. Rainer Müller Dr. Jenny Schlüpmann Michael Voß Karl-Heinz Zwittlinger mit Beratung durch Peter Goldkuhle Marc van der Schmidt

© 2015 Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Braunschweig www.schroedel.de Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile ­dürfen ohne eine solche Einwilligung gescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von ­Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Druck A 1 / Jahr 2015 Alle Drucke der Serie A sind inhaltlich unverändert. Redaktion: Bernd Trambauer Grafik: newVISION, Bernhard Peter; Birgit Schlierf; 2&3d. design, R. Diener, W. Gluszak; take five, J. Seifried Computergrafik: Dr. Joachim Bolz; Joachim Krause; Dr. Monika Scholz-Zemann; Dr. Heiner Schwarze Umschlaggestaltung: Janssen Kahlert Design & Kommunikation GmbH, Hannover Satz: Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck und Bindung: westermann druck GmbH, Braunschweig ISBN 978-3-507-17028-5

Vorwort Liebe Schülerin, lieber Schüler!

Zu diesem Buch

Dieser Grundkursband der nordrhein-westfälischen Aus­ gabe der „Metzler-Physik“ für die Qualifikationsphase soll Sie durch seine anschauliche Sprache und seine verständlichen Begriffsbildungen weiterhin in Ihrem Physikunterricht unterstützen und Ihnen auch das selbstständige Er­ arbeiten von Unterrichtsinhalten leicht machen.

Der Grundkursband der Metzler Physik für die Qualifika­ tionsphase folgt in seiner didaktischen Konzeption weit­ gehend den Intentionen des Kernlehrplans des Landes Nord­ rhein-Westfalen. Dementsprechend werden nahezu alle Themen an Kontexten eingeführt, auf die rückblickend immer wieder Bezug genommen wird. Die zur Bearbeitung der grundlegenden Experimente notwendigen Kenntnisse werden – soweit sie nicht vorhanden sind – entweder mit Erläuterungen gegeben bzw. durch in Vertiefungen ausgegliederte Überlegungen verständlich gemacht, sodass der Blick auf die wesentlichen Aussagen nicht durch langwierige Herleitungen verstellt wird.

In der Einführungsphase wurden für die gesamte Physik grundlegende Begriffe und Arbeitsmethoden mit Betrachtungen über Kräfte und Bewegungen, über Energie und Impuls behandelt. In dem nicht nur historisch interessanten Thema Gravitation und Himmelsmechanik begegnete Ihnen der wichtige Begriff des Feldes und am Beispiel der mechanischen Schwingungen und Wellen haben Sie Phänomene kennengelernt, die sich ebenfalls in den nun zu behandelnden Themen wiederfinden. Im Zentrum der Qualifikationsphase steht die moderne Physik mit ihren konstituierenden Grundpfeilern, der Quantenphysik und der Relativitätstheorie, und deren Anwendungen in der Atom- und Kernphysik sowie in der Elementarteilchenphysik, die allesamt die Forschungen des 20. Jahrhunderts beherrschten und auch im 21. Jahrhundert die Physiker weiter beschäftigen werden. Die Quantenphysik macht heute in ihren technischen Anwendungen einen Großteilt der modernen Industrie und Arbeitswelt aus – Stichworte Computer und Informationstechnologie; sie wirft darüber hinaus aber auch fundamentale philosophische Fragestellungen auf. In Verbindung mit ihr geben die Relativitätstheorie wie auch die Elementarteichenphysik Antworten auf die Frage, wie nach Meinung der Wissenschaft die Welt entstanden ist. Für dies alles ein Grund­ verständnis zu entwickeln ist Aufgabe dieses zweiten Oberstufenbandes. Daneben werden in diesem Buch – teils wegen ihrer zum Verständnis der modernen Physik notwendigen Grundlagen, teils wegen ihrer Bedeutung für die moderne Technik – auch die Bereiche Elektrodynamik und Atom- und Kernphysik behandelt. In grundlegenden Versuchen und Experimenten wird immer wieder deutlich gemacht, dass Be­ obachtungen und quantitative Auswertungen Grundlage des Erkenntnisprozesses sind. Ziel dieses Buches ist es, unsere komplizierte, von Naturwissenschaft und Technik geprägte Welt verstehen und neue Entwicklungen kompetent beurteilen zu können. Lassen Sie sich also ein auf das geistige Abenteuer mit der Physik, dieser höchst interessanten und faszinierenden Wissenschaft. Wir wünschen Ihnen dabei Freude und Gewinn.

Die Inhalte sind – wie in der „Metzler Physik“ üblich – klar strukturiert: Die Grundgedanken der zu vermittelnden physi­ kalischen Kenntnisse und Sachverhalte sind in den Sachtexten dargestellt; die zu ihrer Erarbeitung notwendigen Verfahren finden sich in den Methoden. Besondere Betrachtungen über z. B. historische Sachverhalte, über Umwelt­ phänomene oder über einen Vergleich unterschiedlicher Messmethoden sind in Exkursen enthalten. Diese Vorgehensweise wird beispielhaft am Inhaltsfeld „Quantenobjekte“ deutlich: Die Welleneigenschaften des Lichts werden am Phänomen der Interferenz aufgezeigt, die Bestimmung von Wellenlängen wird als Methode erarbeitet. Die diskrete Ladung und die Masse zeigen die Teilchen­ eigenschaften von Elektronen, die zu ihrem Nachweis notwendigen Kenntnisse zur Lorentz-Kraft werden in einer Methode erläutert. Als Methode werden auch die Bestimmung der kinetischen Energie von Photoelektronen und die Simulation der Photonenverteilung hinter einem Doppelspalt dargestellt. In entsprechender Weise sind die Inhaltsfelder Elektrodynamik, Strahlung und Materie und Relativität von Raum und Zeit behandelt. Zur Einübung und Festigung der zu vermittelnden Kompetenzen dienen die in jedem Kapitel enthaltenen material­ gestützten Aufgaben, das Grundwissen und die Wissenstests am Ende. Die umfangreicheren prüfungsorientierten Aufgaben am Ende des Buches dienen als Beispiele für Klausurauf­ gaben und sollen bei der Abiturvorbereitung helfen. Dank gilt dem Verlag für die intensive Betreuung und die hervorragende Ausstattung des Werkes. Dank gebührt ebenso allen, die mit Rat und Auskunft geholfen haben. Düsseldorf im Sommer 2014  Joachim Grehn und Joachim Krause 3

Inhaltsverzeichnis

STAND: september 2014

1 Quantenobjekte 1.1 Wellenoptik 10 1.1.1 Wellenphänomene 10 1.1.2 Interferenz am Doppelspalt 12  Methode: Berechnung von Lichtwellenlängen mittels kleinster Wegdifferenzen 14  Exkurs: Berechnung von Wegdifferenzen ohne Näherungen 15 1.1.3 Lichtwellenlänge und Farbe 16 1.1.4 Interferenz am Gitter 17 1.1.5 Wellenlängenmessung mit dem Gitter 18 1.1.6 Leuchtdioden und Wellenlängen 20 1.1.7 Bestimmung kleinster Wegdifferenzen 22 1.1.8 Das Huygens’sche Prinzip 24  Materialgestützte Aufgaben Wellenlängenmessung mit der Kamera 28 Wellentheorie und Korpuskeltheorie des Lichts 28 Spektren von nahezu weiß leuchtenden LEDs 29 Farben hinter einer CD 29 1.2 Elektronen 30 1.2.1 Quantelung der Ladung 31 1.2.2 Geladene Teilchen im elektrischen Feld 32 1.2.3 Die elektrische Kraft und die Energie 34  Exkurs: Das Laborbuch von R. A. Millikan 35 1.2.4 Auswertung des Millikan-Versuchs 36 1.2.5 Das Elektron im Fadenstrahlrohr 38  Vertiefung: Fadenstrahlrohr und elektrisches Feld 39 1.2.6 Die Masse des Elektrons 40  Vertiefung: Ablenkung und Masse 44  Vertiefung: Fadenstrahlrohr und magnetisches Feld 42  Exkurs: Polarlicht und Van-Allen’scher Strahlungsgürtel 44  Materialgestützte Aufgaben Das Elektron auf der Kreisbahn im Modell 46 Bewegung des Eelektrons im Fadenstrahlrohr 46 Präsentation der Massenabhängigkeit 47 Teilchenbeschleuniger 47

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1.3 Photonen 48 1.3.1 Der lichtelektrische Effekt 48 1.3.2 Energiemessung bei Fotoelektronen 50  Methode: Messung der Bewegungsenergie von Elektronen 51 1.3.3 E = h f 52 1.3.4 Umkehrung des lichtelektrischen Effekts 54 1.3.5 Licht und Photonen 55 1.4 Welleneigenschaften der Elektronen 56 1.4.1 De-Broglie-Wellen 56  Vertiefung: Bestätigung der De-BroglieGleichung 57 1.4.2 Das Elektron – kein klassisches Teilchen 58  Exkurs: Interferenzen von Neutronen 59 1.5 Quantenphysik und klassische Physik 60 1.5.1 Die Photonenverteilung hinter dem Doppelspalt 60  Methode: Simulation der Photonenverteilung hinter dem Doppelspalt 62 1.5.2 Das Elektron als Quantenobjekt 64 1.5.3 Interpretationsprobleme der Quantenphysik 66  Exkurs: Verschränkte Zustände und spukhafte Fernwirkung 68  Materialgestützte Aufgaben Sonnenbrand und Wirkungsquantum 70 Intensität des Lichts beim lichtelektrischen Effekt 70 Welleneigenschaften großer Moleküle 71 Erkenntnistheoretische Aussagen 71 Grundwissen 72 Wissenstest 74

2 Elektrodynamik  Exkurs: Ampacity – Energietransport mit supra­ leitendem Stromkabel 77 2.1 Induktionsphänomene 78 2.1.2 Magnetfeld und Lorentzkraft 80 2.1.2 Anwendungen der Induktion und Experimente 78 2.1.3 Lorentzkraft 80  Methode: B als zeitliche Änderung der Magnet­ feldstärke B 83 2.1.4 Magnetfeld von Leiter und Spule 84 2.1.5 Induktion an der Leiterschaukel 86 2.1.6 Das Induktionsgesetz 88  Methode: Parameter der Induktionsspannung im Modell 92  Materialgestützte Aufgaben Spannung an der Fallröhre 94 Spannung am Fahraddynamo 94 Spannung der Lichtmaschine 95 Der bessere Nabendynamo 95 2.2 Energietransport mit Gleichspannung 96 2.2.1 Energie, Energiestrom und Leistung 97 2.2.2 Energie und Spannung 98 2.2.3 Wirbelströme 101 2.2.4 Die Lenz‘sche Regel 102 2.2.5 Vertiefung: Felder als Energiespeicher 104 Exkurs: Stromversorgung eines Prozessors 107



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 Materialgestützte Aufgaben Bremsen durch Induktion Energieumsatz eines Elektroautos Energie vom Nabendynamo Wirkungsgrad eines Schaltwandlers

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2.3 Energietransport mit Wechselspannung 110 2.3.1 Rotierende Spule im Magnetfeld 110  Vertiefung: Induktionsspannung und ­Induktionsstrom 111 2.3.2 Energietransport im Wechselstromkreis 112  Exkurs: Der Stromkrieg – Entscheidung zwischen zwei Systemen 113 2.3.3 Der Transformator 114 Vertiefung: Funktionsweise des Transformators 115 2.3.4 Energietransport über Freileitungen 116  Exkurs: Die öffentliche Versorgung mit elektrischer Energie 118 2.3.5 Energieübertragung mit Gleichstrom 120  Exkurs: Entwicklung der HochspannungsGleichstrom-Übertragung 122  Exkurs: Die Anfänge der Stromversorgung 123  Materialgestützte Aufgaben Messung des Erdmagnetfelds 124 Wirkungsgrad eines realen Transformators 124 Kabellose Aufladung eines Elektroautos 125 Grundwissen 126 Wissenstest 128

Strahlung und Materie

3.1 Linienspektren 132 3.1.1 Quantenhafte Emission und Absorption 132 3.1.2 Der Franck-Hertz-Versuch 134 3.1.3 Atomspektren 136  Materialgestützte Aufgaben Fraunhofer-Linien 137 Fraunhoferlinien experimentell 137 Sternspektren 138 3.2 Physik der Atomhülle 139 3.2.1 Diskrete Energieniveaus 139 3.2.2 Zustände des Wasserstoffatoms 140 3.2.3 Vertiefung: Stationäre Zustände und stehende Wellen 142  Materialgestützte Aufgaben Farbstoffmoleküle 143 Das ​He​ +​-Ion 143 Historische Atommodelle 144 3.2.4 Röntgenstrahlung 146 Exkurs: Röntgenstrahlung 147  Materialgestützte Aufgaben Röntgenstrahlung 147 3.3 Ionisierende Strahlung 148 3.3.1 Radioaktivität 148 3.3.2 Kernreaktionen 150 Methode: Umgang mit der Nuklidkarte 152 Exkurs: Auf der Suche nach neuen Elementen 153 Exkurs: Positronen-Emissions-Tomografie 153

3.3.3 Das Zerfallsgesetz 154  Methode: Von Messwerten zur e-Funktion 155  Materialgestützte Aufgaben Altersbestimmung 156 Radioaktive Abfälle 157 3.3.4 Abschirmung von Strahlung 158  Materialgestützte Aufgaben Reichweite von α- und β-Strahlung 159 Absorption von Strahlung 159 Radionuklidbatterien 159 3.3.5 Strahlungsdetektoren 160 3.3.7 Dosimetrie und Biologische Strahlenwirkungen 162 3.3.8 Strahlenschutz 164  Materialgestützte Aufgaben Das Handy als Strahlungsdetektor 165 Strahlendosen 165 3.4 Aufbau der Materie 166 3.4.1 Die Bausteine des Standardmodells 166 3.4.2 Die Austauschteilchen im Standardmodell 168 3.4.3 Teilchenreaktionen 170 3.4.5 Was sind Teilchen und Kräfte?? 172  Materialgestützte Aufgaben  173  173 Grundwissen 174 Wissenstest 176

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4 Relativität von Raum und Zeit

4.1 Die relativistische Kinematik 182 4.1.1 Äther und absoluter Raum 182 4.1.2 Die Relativitätspostulate 184  Exkurs: Navigation mit Satelliten 185 4.1.3 Lichtgeschwindigkeit als Grenze 186 4.1.4  Myonen in der Atmosphäre 187 4.1.5 Eigenzeit und Zeitdilatation 188 4.1.6 Zeitdilatation und Längenkontraktion 190 4.1.6 Vertiefung: Zeitdilatation durch Gravitation 192  Exkurs: Das Hafele-Keating-Experiment – Atomuhren mesen erstmals die Zeitdilatation 193 4.2 Die relativistische Dynamik 194 4.2.1 Die Massenzunahme 194 4.2.2 Masse und Energie 196



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4.3 Kernenergie 198 4.3.1 Kernfusion in der Sonne 198  Exkurs: Kerfusion – eine Vision? 200 4.3.2 Energie der Kernspaltung 202  Materialgestützte Aufgaben Das Fizeau-Experiment

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 xkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie: E Grundlagen der Theorie Exkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie: Experimentelle Tests der Theorie

205 206

Grundwissen 208 Wissenstest 209

Geschichte

Quantenphysik 210 Elementarteilchenphysik 213 Astrophysik und Kosmologie 214

Relativitätstheorie 215 Moderne Anwendungen und wirtschaftliche Bedeutung 216

6 Anhang Musteraufgaben mit Lösungen 218 Prüfungsorientierte Aufgaben 224

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Sachverzeichnis Namenverzeichnis Physikalische Konstanten Spektraltafel Atommassen einiger Nuklide Periodensystem der Eelemente Nuklidkarte

236 239 239 240 240 242 (hinterer 243 Buchdeckel)

Bildquellenverzeichnis Es war nicht in allen Fällen möglich, die Inhaber der Bildrechte ausfindig zu machen und um Abdruckgenehmigung zu bitten. ­Berechtigte Ansprüche werden selbstverständlich im Rahmen der üblichen Konditionen abgegolten.

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