Physik Schülerlexikon

Als Längenkontraktion bezeichnet man in der Speziellen Relativitätstheorie die Verkürzung von Maßstäben bzw. Längen, wenn sich der Beobachter (d. h. das gerade gewählte Bezugssystem ) mit hinreichend großer Geschwindigkeit \(v\) an ihnen vorbeibewegt. Mit der Lichtgeschwindigkeit c gilt für die Länge L des Maßstabs im sich bewegenden Bezugssystem und die Länge L 0 des Maßstabs in seinem Ruhesystem : \(L = \dfrac {L_0} \beta; \quad \beta = \dfrac 1 {\sqrt{1-v^2/c^2} }\) Achtung: Man könnte fragen, welche Länge des Maßstabs denn nun die richtige ist, L oder L 0 . Dies ist aber völlig...

Der Laser war eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Der Name ist ein einglisches Akronym (aus Anfangsbuchstaben gebildetes Wort) und steht für l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation, auf Deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“. Laserstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass alle Photonen praktisch denselben Quantenzustand besitzen. Dies bedeutet: sie ist monochromatisch , d. h. besitzt eine exakt festgelegte Wellenlänge (bzw. ein extrem schmalbandiges Spektrum ), sie ist extrem scharf gebündelt und sie ist kohärent , d. h., alle...

Laserkühlung ist ein Verfahren zur Erzeugung tiefster Temperaturen durch gezielte Verlangsamung von schnellen Atomen oder Molekülen eines Gases. Dies erreicht man, indem eine Laser so auf die Gasatome gerichtet wird, dass die Atome, die etwas schneller als der Durchschnitt sind, bevorzugt die Photonen des Laserstrahls absorbieren. Der damit verbundene Impulsübertrag bremst dann diese Atome ab. Dadurch verringert sich die mittlere Geschwindigkeit der Atome, die ist aber direkt proportional zur Temperatur des Gases – je langsamer die Atome im Mittel sind, desto kälter ist das Gas.

Latente Wärme (von lat. latere »verborgen sein“) nennt man die Energiemenge , die nötig ist, um einen Körper ohne Temperaturerhöhung aus dem festen in den flüssigen ( Schmelzwärme ) oder dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand ( Verdampfungswärme ) zu überführen. Beim umgekehrten Übergang vom gasförmigen in den flüssigen bzw. vom flüssigen in den festen Aggregatzustand wird die latente Wärme wieder frei. Die latente Wärme von atmosphärischem Wasserdampf spielt in der Meteorologie eine große Rolle, da sie einen erheblichen Teil der in einer Luftmasse enthaltenen Energie ausmachen kann.

Lautsprecher und Mikrofon sind elektrotechnische Bauteile, mit denen Schall - und elektromagnetische Schwingungen ineinander umgewandelt werden können (man nennt sie daher auch Wandler), wobei der prinzipielle Aufbau der gleiche ist: Lautsprecher setzen elektromagnetische Schwingungen (z. B. aus einem Telefonkabel oder vom Auslesekopf eines CD-Players) in mechanische Schwingungen einer Membran um, die daraufhin Schallwellen aussendet; im Mikrofon wird eine Membran von eintreffenden Schallwellen in Schwingungen versetzt, die daraufhin ein im Gleichtakt schwingendes elektrisches Signal erzeugt...

Die Lautstärke ist physikalisch gesehen ein Maß für das subjektive Empfinden der Intensität von Schall , also etwa eines Tons oder Geräuschs. Sie hängt von der Größe des Schalldrucks und von der Tonfrequenz ( Tonhöhe ) ab. Gemessen und angegeben wird die Lautstärke als sog. Lautstärkepegel in der Einheit Phon (die Hörschwelle liegt bei 4 Phon, die Schmerzgrenze bei 130 Phon).

LED (Abk. für „Licht emittierende Diode“, auch Leuchtdiode ) und Fotozelle ( Fotodiode , Solarzelle ) sind zwei spezielle Halbleiterdioden , mit denen sich elektrische Energie in Licht bzw. allgemeiner elektromagnetische Wellen und umgekehrt umwandeln lässt. (Sie sind sozusagen das optische Analogon von Elektromotor und Generator ). In einer LED lässt man Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial gezielt rekombinieren, wobei sie Licht mit einer genau definierten Wellenlänge und Energie aussenden. Durch Kombination von rot, grün und blau leuchtenden LED kann man heute praktisch jeden beliebigen...

Die Leistung ist allgemein die Ableitung der bei einem Prozess umgesetzten Energie E nach der Zeit , \(P = \dfrac{\text d E} {\text d t} = \dot E\) . Da diese Energie der beim Prozess geleisteten Arbeit W entspricht, kann man auch sagen: „Leistung ist Arbeit pro Zeit“ bzw. \(P = \dfrac{\text d W} {\text d t} = \dot W\) . Die SI-Einheit der Leistung ist das Watt (W). Wenn die Arbeit zeitlich konstant ist, ist P einfach der Quotient aus der verrichteten W und der dazu benötigten Zeitspanne \(\Delta t\) , \(P = \dfrac{W}{\Delta t}\) , sonst ist dieser Quotient die Durchschnittsleistung im...

Die Lenz’sche Regel ist die von H. F. Emil Lenz 1833 formulierte Aussage, wonach die induzierte Spannung (oder der induzierte Strom, falls der Induktionskreis geschlossen ist) stets so gerichtet ist, dass das von ihr hervorgerufene Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt. Beim Schließen des Schalters S entsteht ein Magnetfeld, dessen Nordpol gemäß den Rechte-Hand-Regeln der Induktionsspule gegenüberliegt. Die Lenz’sche Regel fordert jetzt, dass das Entstehen dieses Nordpols „verhindert“ wird. Daher ist – unabhängig vom Wicklungssinn der Induktionsspule – die induzierte Spannung stets so...

Als Leptonen bezeichnet man eine Gruppe von Elementarteilchen , die alle nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen, also farbneutral sind (griech. leptos heißt „schwach“). Sie unterliegen aber alle der schwachen Wechselwirkung . Alle Leptonen sind Fermionen , haben also halbzahligen Spin . Man unterscheidet die elektrisch geladenen Leptonen Elektron , Myon und Tauon (sowie ihre Antiteilchen) und die elektrisch neutralen Neutrinos , von denen es inklusive Antiteilchen ebenfalls sechs Stück gibt. Eine andere Gruppierung der Leptonen erfolgt nach den drei Generationen ( Familien ): Elektron...

Leuchtstoffröhre ist der Überbegriff für Lichtquellen (Lampen) , in denen durch eine Gasentladung UV-Strahlung entsteht, die dann von einem Leuchtstoff in der Umhüllung der Röhre in sichtbares Licht umgewandelt wird. In der Umgangssprache sagt man oft auch Neonröhre zu einer Leuchtstoffröhre, dies ist aber irreführend, da das Gas im Inneren der Röhre kein Neon ist, sondern Quecksilberdampf. Die sog. Energiesparlampen, genauer Kompaktleuchtstofflampen , sind im Prinzip nur eine andere Bauform einer Leuchtstoffröhre. Die noch effizienteren LED - Lampen beruhen dagegen auf Halbleitereffekten.

Licht ist physikalisch gesehen elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich , d. h. mit Wellenlängen zwischen etwa 380 nm (Blauviolett) und 780 nm (Rot). Die Wellenlänge des Lichts beeinflusst maßgeblich die Farbempfindung . Das Fachgebiet der Physik, das sich mit der Ausbreitung und Manipulation von Licht beschäftigt, ist die Optik . Während monochromatisches L. nur eng benachbarte Wellenlängen (im mathematischen Ideallfall nur eine einzige!) enthält, entsteht „weißes“ Licht durch Überlagerung aller Wellenlängen des oben genannten Bereichs bzw. der drei Grundfarben Blau, Rot und...

Die Lichtgeschwindigkeit c ist ursprünglich definiert als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht oder allgemeiner von elektromagnetischen Wellen bzw. Photonen . Genauer ist die Lichtgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit, mit der sich ein bestimmter Phasenzustand (ein „Wellenberg“ oder ein „Wellental“) einer Lichtwelle ausbreitet. Man spricht daher auch von der Phasengeschwindigkeit des Lichts, im Unterschied zur Gruppengeschwindigkeit , d. h. der Geschwindigkeit, mit der sich die Wellengruppe als Ganzes fortbewegt. Nur im Vakuum stimmen die beiden Geschwindigkeiten überein. Die...

Lichtjahr und Parsec sind zwei Nicht-SI-Längeneinheiten für im wahrsten Sinne des Wortes astronomische Größenskalen: Ein Lichtjahr (Lj) ist die Strecke, die das Licht im Vakuum in einem Jahr zurücklegt, es ist \(1\,\text{Lj} \approx 9,461 \cdot 10^{15}\text m \approx 10 \,\text{Billionen km}\) Ein Parsec (pc) ist dagegen die Entfernung vom Sonnensystem, in welcher der mittlere Abstand der Erde von der Sonne (also eine Astronomische Einheit , 149,6 Millionen km) am Himmel noch einen Winkel von einer Bogensekunde ausmacht. Es ist \(1\,\text{pc} \approx 3,26\,\text{Lj}\) . Die nächsten Sterne...

Eine Lichtquelle ist ein Objekt, das Licht aussendet. Technische Lichtquellen nennt man Lampen . Wichtige natürliche und technische Lichtquellen sind: Die Sonne und die anderen Fixsterne natürliche ( Blitze ) und technisch hervorgerufene Gasentladungen wie z. B. in Leuchtstoffröhren Emission von Wärmestrahlung : Glühbirne, Glut, Kerzenflamme usw. Leuchtdioden (LED) Laser Lumineszenz biologische Lichtquellen , z. B. Glühwürmchen Umgangssprachlich bezeichnet man auch Leuchten (Halterung und Licht verteilender Schirm) als Lampen.

In der Optik ist eine Linse ein meist scheibenförmiger, von gekrümmten Oberflächen begrenzter durchsichtiger Körper (meist aus Glas oder Kunststoff), mit dem sich die geradlinige Ausbreitung von Lichtstrahlen beeinflussen lässt. Analog nennt man in der Elektronenoptik Bauteile, die Elektronen oder allgemeiner geladene Teilchenstrahlen ablenken können, ( Elektronen- ) Linsen . Die Wirkungsweise von op tischen Linsen beruht auf der Brechung . Die Form einer Linse kann sehr kompliziert sein (etwa Brillengläser). In der Schulphysik hat man es meist mit sphärischen Linsen zu tun, die entweder von...

Die Linsenformel gibt den mathematischen Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex n des Materials einer Linse , ihrer Brennweite f , dem Abstand d der beiden Linsenflächen an der optischen Achse und den Krümmungsradien r 1 , r 2 . Für eine in Luft befindliche Linse gilt: \(f = \dfrac n {n-1} \cdot \dfrac{ r_1\cdot r_2 }{ n\cdot (r_2-r_1) + (n-1)\cdot d}\) Dabei ist ein Krümmungsradius mit positivem Vorzeichen zu versehen, wenn das Licht auf eine konvexe Linsenfläche fällt, und mit negativem Vorzeichen, wenn das Licht auf eine konkave Linsenfläche fällt. Für genügend dünne Linsen , bei denen...

Die Lorentz-Kraft (nach Hendrik. A. Lorentz) ist die Kraft , die eine elektrische Ladung Q seitlich ablenkt, wenn sie sich mit der Geschwindigkeit \(\vec v\) durch ein magnetisches Feld bewegt: \(\vec F_\text L = Q \cdot \left[ \vec v \times \vec B \right] \equiv Q \cdot \vec v \times \vec B \) ( \(\vec B\) : magnetische Flussdichte, „ \(\times\) “ steht für das Vektor- bzw. Kreuzprodukt ). Oft wird auch die elektrische Coulomb-Kraft auf die Ladung in die Gleichung miteinbezogen, dann gilt: \(\vec F_\text L = Q \cdot \left( \vec E + \vec v \times \vec B \right)\) mit \(\vec E\) als der...

Luftdruck und Luftfeuchtigkeit sind zwei wesentliche meteorologische Messgrößen. Der Luftdruck ist der durch die Gewichtskraft der Erdatmosphäre ausgeübte Druck . Er wirkt – wie der hydrostatische Druck in Flüssigkeiten – nach allen Seiten gleichmäßig. Der L. wird mit dem Barometer gemessen. SI-Einheit ist wie auch sonst beim Druck das Pascal (Pa), allerdings gibt man Luftdrücke wegen der Zahlengleichheit mit der früher in der Meteorologie verbreiteten Einheit Millibar (mbar) meistens in Hektopascal (1 hPa = 1 mbar) an. Der L. unterliegt starken zeitlichen und örtlichen Schwankungen. In...

Der Luftwiderstand ist die Reibungskraft , die ein sich relativ zur Luft (oder allgemeiner durch ein Gas) bewegender Körper entgegen der Bewegungsrichtung erfährt. Ihr Betrag \(F_\text W\) hängt ab von: der Form des Körpers, ausgedrückt durch den Widerstandsbeiwert c w (Abb.), der Querschnittsfläche A senkrecht zur Bewegungsrichtung (dem Schattenquerschnitt), der Relativgeschwindigkeit \(v\) des Körpers gegenüber der Luft und der Dichte \(\rho_\text L\) der Luft. Mit diesen Größen berechnet sich W gemäß der Formel \(F_\text W = \dfrac 1 2 \cdot A \cdot c_\text w \cdot \rho\cdot v^2\) Typis...

Lumineszenz (von lat. lumen „Licht“ und engl. -escence „-werdung“) ist ein Sammelbegriff für Leuchterscheinungen, die keine Wärmestrahlung sind. Wenn das Licht unmittelbar (innerhalb weniger Mikrosekunden) nach der Anregung des strahlenden Mediums emittiert wird, spricht man von Fluoreszenz . Ist der Übergang in den Grundzustand dagegen verzögert (um Sekunden oder sogar Monate), so liegt Phosphoreszenz vor. Beide Formen unterscheiden sich in ihrer Temperaturabhängigkeit: Die Phosphoreszenz hängt stark, die Fluoreszenz dagegen über weite Bereiche kaum von der Temperatur ab. Je nach Art der...

Eine Lupe ( Vergrößerungsglas ) ist eine Sammellinse mit kurzer Brennweite f , mit der man den Sehwinkel , unter dem ein Betrachter einen Gegenstand sieht, vergrößern kann. Meist benutzt man die Lupe so, dass sich der betrachtete Gegenstand in ihrer Brennebene befindet (Abb. oben). Die Lupe erzeugt dann ein virtuelles Bild im Unendlichen. Befindet sich das nicht akkommodierte (angepasste) Auge direkt hinter der Lupe , sieht man den Gegenstand dann unter dem Sehwinkel \(\alpha_\text L\) . Betrachtet man den Gegenstand dagegen ohne Lupe, befindet er sich meist in einem Abstand d vom Auge, der...