Physik Schülerlexikon

Bei einer optischen Abbildung versteht man unter einem Abbildungsfehler alle Abweichungen ( Aberrationen ) von den Abbildungsgesetzen dünner Linsen . Bei einfarbigem ( monochromatischem ) Licht treten folgende Abbildungsfehler auf: Öffnungsfehler ( sphärische Aberration ): Hier werden nicht alle Lichtstrahlen eines parallel zur optischen Achse auf die Linse einfallenden Bündels in einem Punkt gesammelt. Für solche Fehler sind bei sphärischen Linsen die achsenfernen Strahlen verantwortlich. Astigmatismus (griech., so viel wie „kein Punkt“): Punkte außerhalb der optischen Achse werden nicht...

Ein abgeschlossenes System ist ein physikalisches System , das in keinerlei Wechselwirkung mit seiner Umgebung steht, also weder Energie , Impuls oder Drehimpuls noch Materie bzw. Masse austauscht. In einem abgeschlossenen System gelten daher die Erhaltungssätze für diese Größen. Im Gegensatz dazu steht ein offenes System mit seiner Umgebung in Wechselwirkung, tauscht z. B. Energie und Materie aus. Wenn die inneren Parameter des offenes Systems ( wie Druck oder Temperatur ) trotz fortwährendem Austausch konstant bleiben, spricht man von einem Fließgleichgewicht oder dynamischem Gleichgewicht...

In der Kerntechnik bzw. beim Strahlenschutz ist eine Abschirmung eine Anordnung von Materialien mit dem Ziel, die Intensität und damit die gesundheitsgefährdende Wirkung einer ionisierenden Strahlung zu verringern. Die Schwächung beruht auf der Wechselwirkung der Strahlungsteilchen mit dem Material (z. B. durch Streuung oder Absorption ). Die Strahlung muss im abschirmenden Material eine möglichst geringe Reichweite haben. Diese hängt allerdings auch von der Strahlenart ab: Bei gleicher Energie werden Alphastrahlen von einem Blatt Papier und Betastrahlen von einer dünnen Metallfolie effektiv...

Unter Absorption (von lat. absorbere „verschlucken“) versteht man in der Physik zweierlei: In Optik , Astronomie und Spektroskopie ist Absorption die Schwächung der Intensität einer elektromagnetischen Welle oder die Verringerung der Energie von Teilchenstrahlung beim Durchgang durch Materie. Das absorbierende Material heißt Absorber . Die absorbierte Energie wird in Wärmeenergie (die Absorptionswärme ) umgewandelt oder durch Anregung oder Ionisierung der Atome bzw. Moleküle des Absorbers verbraucht. Wenn die Atome bzw. Moleküle eines Stoffs bei der Anregung nur bestimmte Energiebeträge E (...

Unter einer Achse versteht man in der Physik zweierlei: Zum einen diejenige Gerade , „um die“ eine Rotation ausführt wird, mathematisch formuliert die Menge aller Punkte, die bei der Rotation an Ort und Stelle (invariant) bleiben . Ein Beispiel ist die Erdachse . Zum anderen spricht man in der Optik von einer optischen Achse und meint damit eine gedachte Symmetrielinie in einem optischen Auf bau, die durch die Krümmungsmittelpunkte aller Linsen und Spiegel verläuft. Auf der optisachen Achse liegen die Brennpunkte und Hauptpunkte der optischen Elemente. Ein entlang der optischen Achse...

Die Zustandsänderung eines Gases nennt man in der Wärmelehre adiabatisch (von griech. adiabatos „undurchdringlich“), wenn sie ohne Abgabe oder Aufnahme von Wärme an die bzw. aus der Umgebung. Beispielsweise kann man das schnelle Zusammenpressen von Luft in einer verstopften Luftpumpe als adiabatischen Vorgang ansehen, da der Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft wesentlich langsamer erfolgt. Für ein ideales Gas gilt bei adiabatischen Zustandsänderungen das Poisson’sche Gesetz: \(p \cdot V^\kappa = const.\) \(\kappa\) ist dabei das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases bei...

Die Aerodynamik (von griech. aer „Luft“) ist die Lehre von den Strömungsvorgängen in Gasen, besonders in Luft. Insbesondere untersucht sie theoretisch und experimentell (z. B. im Windkanal ) die Kräfte , die an umströmten Körpern auftreten, und erarbeitet damit die Grundlagen für die Bewegung von Flugkörpern und am Boden durch die Luft bewegten Fahrzeugen ( Luftwiderstand ). Die Aerodynamik ist eng verwandt mit der Hydrodynamik , allerdings treten wegen des großen Dichteunterschieds zwischen Gasen und Flüssigkeiten durchaus unterschiedliche Effekte auf. Manchmal werden beide Gebiete zur...

Die Aktivität A eines radioaktiven Stoffs gibt die die Zerfallsrate in Zerfällen \(\Delta N\) pro Zeitspanne \(\Delta t\) an: \(A = \dfrac{\Delta N}{\Delta t} \quad\text{bzw.}\quad A = \dot N\) SI-Einheit ist das Becquerel (sprich: „Beckerel“). Es gilt 1 Bq = 1 s –1 . Die Aktivität eines Gramms einer radioaktiven Substanz nennt man spezifische Aktivität .

Die Akustik (von griech. „akouo“ hören) ist das Teilgebiet der Physik , das alles behandelt, was mit Schall und Hören zu tun hat. Die Akustik wird oft der Mechanik zugeordnet, da Schallwellen sich durch den Raum fortpflanzende periodische mechanische Bewegungszustände sind. Klassischerweise untersucht man in der Akustik Schall mit Frequenzen zwischen 16 Hz und 20 kHz ( Hörbereich ). Heute gibt es aber auch viele Anwendungen für Schall mit zum Teil deutlich höheren ( Ultraschall bzw. Hyperschall ) oder auch mit niedrigeren Frequenzen ( Infraschall ).

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist neben der Quantenmechanik bzw. den Quantenfeldtheorien eine der beiden fundamentalen Säulen der modernen theoretischen Physik. Sie ist eine Verallgemeinerung (daher der Name) der Speziellen Relativitätstheorie auf beschleunigte Bezugssysteme . Die Mathematik der ART ist äußerst anspruchsvoll, und auch begrifflich stellt sie das Vorstellungsvermögen auf eine harte Probe. Einige grundsätzliche Punkte sollten dennoch zum physikalischen Allgemeinwissen gehören: Der Ausgangspunkt von Albert Einsteins Überlegungen war die Äquivalenz von träger und...

Das Ampere (nach André-Marie Ampère ), Einheitenzeichen A, ist die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke und eine der sieben Basiseinheiten im Internationalen Einheitensystem . Festlegung: Das Ampere ist die Stärke eines zeitlich konstanten elektrischen Stroms , der durch zwei parallele, geradlinige, im Abstand von 1 m voneinander angeordnete Leiter fließt und zwischen diesen Leitern pro 1 m Leitungslänge die Kraft von \(2 \cdot 10^{-7}\,\text N\) hervorrufen würde. Dabei soll der Querschnitt der Leiter vernachlässigbar klein sein und die Anordnung sich im Vakuum befinden.

Die Amplitude (von lat. amplitudo „Größe, Weite“) einer Schwingung ist der größtmögliche Abstand, den eine sich periodisch ändernde Variable von der Nulllage einnehmen kann. Bei einer Sinusschwingung ( harmonischen Schwingung ) ist es der Vorfaktor vor dem Sinus- bzw. Kosinusterm: \(y(t) = \hat y \cdot \sin \omega t\) Hier sind \(\hat y\) („y Dach“ oder „y Hut“) die Amplidute und \(\omega\) die Kreisfrequenz . Außer dem Bezeichnung mit Größensymbol und Häkchenakzent wird oft auch ein A als Symbol für die Amplitude verwendet.

Als Anomalie des Wassers b ezeichnet man die ungewöhnliche Wärmeausdehnung von Wasser bei niedrigen Temperaturen: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von flüssigem Wasser ist zwischen 0 °C und +4 °C negativ. Erwärmt man also 1°C kaltes Wasser, zieht es sich zusammen. Daher ist in Seen und Ozeanen die tiefste Wasserschicht genau +4 °C war, da Wasser dann seine größte Dichte hat, also „am schwersten“ ist. Anders als bei den meisten Stoffen hat der feste Zustand des Wassers (auch unter dem Namen Eis bekannt) eine geringere Dichte als der flüssige (bei 0 °C), sodass Eis auf der Wasseroberfläche...

Die Anregungsenergie ist die Energie , die ein Quantensystem aufnehmen ( absorbieren ) muss, um in einen bestimmten „angeregten“ Energiezustand überzugehen. Beim anschließenden Übergang in den Grundzustand oder einen anderen Zustand mit niedrigerer Energie ( Abregung , Rekombination ) wird diese Energie wieder frei, z. B. durch Emission eines Photons mit passender Energie bzw. Frequenz. Sind E 0 die Energie des Grundzustands und E 1 die Energie des angeregten Zustands, so ist die Anregungsenergie die Differenz \(\Delta E = E_1 - E_0\) . In der Atomphysik (z. B. beim Franck-Hertz-Versuch ) gibt...

Eine Antenne (von lat. antenna „Segelstange“) ist eine Vorrichtung zum Senden oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen . Eine einfache Antenne lässt sich als einseitig geerdeter Hertz’scher Dipol auffassen, oder auch als als LC - Schwingkreis , bei dem der Kondensator zu einer langen Stange aufgebogen ist (Abb.). In dieser Stange schwingen die Ladungsträger hin und her, wobei sich an den Umkehrpunkten (Geschwindigkeit/Stromstärke ist null, kein Magnetfeld) elektrische und im Nulldurchgang (Spannung ist null, kein elektrisches Feld) magnetische Felder abstrahlen.

Jedes Elementarteilchen besitzt ein Antiteilchen , das die gleiche Masse , den gleichen Spin und die gleiche Lebensdauer, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und Farbladung trägt. Alle Antiteilchen zusammen nennt man auch Antimaterie , insbesondere, wenn sie zusammengesetzte Partikel bilden wie das Antiwasserstoffatom , das aus einem Antiproton und einem Positron besteht (s. u.). Treffen ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, können sie in einer Paarvernichtungsreaktion zerstrahlen, umgekehrt kann man ein Teilchen-Antiteilchen-Paar erzeugen, wenn man genügend Energie bereitstellt...

Flächen gleichen Potenzials in einem Feld (z. B. elektrisches Feld, Schwerefeld). Bei einer elektrischen Punktladung beispielsweise sind de Äquipotenzialflächen konzentrische Kugelschalen mit der Ladung in der Mitte. Der Meeresspiegel ist – wenn man von windgetriebenen Welleneffekten absieht – eine Äquipotenzialfläche des Schwerefelds. Bei der Bewegung eines Körpers auf einer Äquipotenzialfläche wird keine Arbeit verrichtet. Die Feldlinien verlaufen stets senkrecht zu diesen Flächen.

Die Äquivalenz von Masse und Energie ist eine wesentliche Aussage innerhalb der Relativitätstheorie . Sie besagt, dass die Masse („ Ruhemasse “) \(m\) und die Ruheenergie \(E_0\) eines Objekts zueinander proprotional sind. Der Proportionalitätsfaktor ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit \(c\) : \(\begin{align}E_0 = m\cdot c^2\end{align}\) Masse ist demnach eine Form von Energie. Dieser Ausdruck ist eigentlich Teil einer allgemeineren Formel für die Gesamtenergie in der Relativitätstheorie : \(\begin{align}E = \sqrt{(pc)^2+(m c^2)^2}\end{align}\) Hier ist \(p\) der Impuls eines Objekts...

Die Arbeit , Formelzeichen W (von engl. work „Arbeit“) ist eine grundlegende physikalische Größe, die sich aus den Größen „ Kraft “ und „Weg“ herleitet und eng mit der Energie verknüpft ist. Genauer gesagt ist Arbeit diejenige Energiemenge, die bei einem mechanischen Vorgang auf einen Körper übertragen bzw. von ihm entfernt wird. Man sagt im ersten Fall auch, an dem Körper werde Arbeit geleistet , im zweiten Fall, der Körper leiste Arbeit . Achtung: Man kann genau wie bei der Wärme auch hier nur dann von Arbeit sprechen, wenn Energie übertragen wird – ein Körper kann keine Arbeit „enthalten“...

Die Astronomie (griech. „Sternenkunde“) ist diejenige Naturwissenschaft, die sich mit der Erforschung des Universums und seiner Bestandteile ( Sterne , Planeten , Galaxien , Gas- und Staubwolken usw.) sowie mit der Entwicklung des Alls als Ganzes befasst. Eine Einteilung liefert die Art der Beobachtungstechnik: Die optische Astronomie (auch „Vis“ von visuell) fängt Lichtwellen mit Instrumenten wie Fernrohren auf und analysiert sie. Die Radioastronomie untersucht mit Radioteleskopen die von Himmelsobjekten wie der Sonne, Pulsaren oder fernen Galaxien ausgesandten Radiowellen . Röntgen-, Gamma-...

Die Atmosphäre (von griech. atmis „Dampf“) ist die Gash ülle der Erde , die durch deren Schwerkraft gebunden ist. Die Erdatmosphäre reicht bis in eine Höhe von etwa 3000 km, rund 80 % ihrer Masse von 1,5 Billiarden Tonnen liegen aber unterhalb von 7 km Höhe. Die Zusammensetzung der vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff bestehenden Erdatmosphäre am Erdboden (Tab.) unterscheidet sich sehr von der in größerer Höhe. So findet sich in ca. 20–25 km Höhe eine merklich höhere Konzentration von Ozon . Diese sog. Ozonschicht absorbiert einen wesentlichen Teil der auf die Erde auftreffenden UV...

Ein Atom ist ein Grundbaustein der Materie. Chemische Elemente unterscheiden sich voneinander im Aufbau ihrer jeweiligen Atome. Früher dachte man, Atome seien „unerzerteilbar“ (dies ist die wörtliche Übersetzung des griechischen „atomos“) und damit die kleinsten denkbaren Materiebausteine. Heute weiß man, dass Atome einen teils sehr komplizierten inneren Aufbau haben und es noch mehrere Hierachieebenen zwischen Atomen und den nach aktuellen Vorstellungen kleinsten Elementarteilchen gibt. Im modernen Atommodell besteht das Atom aus einem elektrisch positiv geladenen Kern , der von einer Hülle...

Der „ Atomkern “ oder kurz „ Kern “ ist der nur etwa 10 –15 m (1 fm, dies ist weniger als ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers) große Zentralbereich eines Atoms . In diesem ist die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse konzentriert, (die Massendichte von Kernmaterie beträgt etwa \(1,4\cdot 10^{17}\,\text{kg/m}^3\) . Atomkerne enthalten Protonen und Neutronen , die man zusammengenommen auch Nukleonen (von lat. nucleus „Kern“) nennt. Die Zahl A der Nukleonen im Kern ist die Massenzahl , die Zahl der Protonen die Ordnungszahl Z und die Zahl der Neutronen die Neutronenzahl N...

Die Atomphysik beschäftigt sich mit den physikalischen Vorgängen in und mit Atomen , Ionen und Molekülen . Im weiteren Sinn steht „Atomphysik“ auch für die Physik aller mikrophysikalischen Erscheinungen. Der wichtigste experimentelle Zugang zur Atomphysik ist die Untersuchung der Energieniveaus der Atomhülle mithilfe von Spektrallinien . Aus diesem Grund hat die Atomphysik viele Überschneidungen mit der Laserphysik , außerdem auch mit der Festkörperphysik . – Die Physik der Atomkerne ist die Kernphysik .

Atomuhren sind die genauesten Uhren, die des derzeit gibt. Sie messen allerdings nicht direkt eine Zeit, sondern eine Frequenz , also den Kehrwert der Zeit. Das Messprinzip beruht darauf, einen Atomstrahl mit elektromagnetischen Wellen (d. h. Photonen ) so anzuregen, dass die Atome in einen definierten höheren Quantenzustand übergehen, von dem aus sie unter Aussendung eines Photons der gewünschten Frequenz wieder zurück in den Grundzustand wechseln. E in Rückkoppelkreis sorgt dafür, dass die einlaufende Welle exakt dieselbe Frequenz hat wie die ausgesendeten Photonen (dann ist das...

Austauschteilchen nennt man in der Quantenphysik die „ Kraftquanten “, also die quantisierten Überträger der elektromagnetischen , der starken und der schwachen Wechselwirkung . Für den Elektromagnetismus ist dies noch einigermaßen anschaulich: Elektromagnetische Wellen bestehen im Quantenbild aus einzelnen Paketen, die man Photonen nennt und die die Austauschteilchen dieser Wechselwirkung bzw. Fundamentalkraft darstellen. Den Ausdruck „Austausch“ kann man dabei wörtlich nehmen: Wenn sich zwei geladene Körper elektrisch anziehen, werden quantenphysikalisch betrachtet zwischen ihnen virtuelle...

Die Austrittsarbeit eines Metalls oder eines anderen Materials ist die Energie , die aufgebracht werden muss, um ein Elektron aus dem Innern eines Stoffes (insbesondere ein Leitungselektron aus einem Metall) durch die Oberfläche nach außen zu bringen. Typische Werte für die Austrittsarbeit sind z. B. 1,8 eV für Caesium und 4,5 eV für Wolfram (eV steht für Elektronenvolt ) . Die nötige Energie kann auf verschiedene Weise geliefert werden, etwa durch Licht ( Fotoeffekt ), durch Wärme ( glühelektrischer Effekt ) oder durch Stoßionisation .