Direkt zum Inhalt
  • Fadenpendel

    Ein Fadenpendel ist ein Pendel, bei dem der möglichst schwere und kleine Pendelkörper an einem möglichst langen, dünnen und leichten Faden aufgehängt ist. Es ist ein bekanntes Beispiel für einen Oszillator, d. h. ein schwingfähiges System. Besonders leicht zu behandeln ist die gedankliche Idealisierung des mathematischen Pendels: Bei diesem Pendel ist der Pendelkörper ein Massenpunkt m und der Faden der Länge l masselos und unendlich dünn (aber trotzdem beruhigend stabil!). Die Pendelmasse schwingt auf einem Kreisbogen vom Radius l periodisch um die Ruhelage. Als Auslenkung x bezeichnet man...

  • Fallbeschleunigung

    Die Fallbeschleunigung (Erdbeschleunigung, Schwerebeschleunigung) \(\vec g\) ist die Beschleunigung, die ein Körper im Schwerefeld der Erde erfährt, wenn er sich im freien Fall befindet und der Raum um ihn herum luftleer ist (andernfalls würde der Luftwiderstand der Schwerkraft entgegenwirken). Die Richtung der Fallbeschleunigung zeigt immer „nach unten“, d. h. in Richtung des Erdmittelpunkts, wobei es kleine Abweichungen aufgrund lokaler Effekte geben kann. Der Betrag g ist nicht überall auf der Erdoberfläche gleich groß, da diese nicht exakt kugelförmig ist und es außerdem...

  • Farbe (Optik)

    In der Optik versteht man unter Farbe eine durch Licht bei einem menschlichen Betrachter ausgelöste Empfindung, die durch abstrakte Begriffe wie rot, gelb, blau u. Ä. beschrieben wird. (Weiß und Schwarz gelten in der Regel nicht als Farben, oder sie werden als „unbunte Farben“ bezeichnet.) Die komplizierte Definition des Farbbegriffs ist nötig, weil der Farbeindruck das Resultat einer komplexen Signalverarbeitung im menschlichen Gehirn ist und daher immer auch eine individuelle Komponente besitzt. Andererseits gibt es auch eine „physikalische“ Komponente: Unterschiedliche Farben entsprechen...

  • Farbladung

    In der Elementarteilchenphysik ist die Farbladung (Farbe) das Analogon zur elektrischen Ladung, wenn es um Effekte der starken Wechselwirkung geht. Sie ist also die Quelle der Anziehungskräfte, welche die Quarks in Proton und Neutron und auch die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten. Außer den Quarks tragen nur die Gluonen eine Farbladung, Leptonen wie Elektron und Neutrino sind farbneutral, spüren also die starke Wechselwirkung nicht. Es gibt zwei wesentliche Unterschiede zwischen elektrischer und Farbladung: Während die elektrische Ladung nur die zwei Werte + und – annehmen kann...

  • Federpendel

    Ein Federpendel ist ein Pendel, bei dem ein kompakter Körper an einer Schrauben- oder Blattfeder frei hin- und herschwingen kann. Der Einfachheit halber betrachtet man den Fall einer rein horizontalen Schwingung, weil dann die Gewichtskraft keine Rolle spielt. In diesem Fall (und bei Vernachlässigung von Reibungseffekten) gilt bei nicht zu großer Auslenkung x das lineare Hooke’sche Gesetz, d. h. Auslenkung und Betrag der Rückstellkraft \(\vec F\) sind proportional zueinander: \(F = D \cdot x\) Dabei ist die Federkonstante D ein Maß für die Steifheit der Feder. Ihre SI-Einheit ist N/m.

  • Fehlerrechnung

    Zur Fehlerrechnung zählen verschiedene Verfahren zur rechnerischen Behandlung von Messfehlern in einer Messreihe. Jede gemessene Größe a ist mit einem Fehler \(\Delta a\) behaftet, d. h., der wahre Wert der Größe liegt irgendwo im Intervall \(a \pm \Delta a\). Deshalb sollte man wann immer möglich beim Aufzeichnen von Messwerten in einem Diagramm (Koordinatensystem) an den Messpunkten Fehlerbalken einzeichnen. Auf diese Weise sieht man sofort, ob eine Abweichung zwischen gemessenem und theoretisch erwartetem Wert nur ein statistischer Mess- oder Ablesefehler ist oder ob man tatsächlich einen...

  • Feld und Potenzial

    Ein Feld ist eine physikalische Größe, die an jedem Punkt \(\vec x\) des Raumes (oder eines Gebietes im Raum) und zu jedem Zeitpunkt t einen bestimmten Wert hat. Im Allgemeinen hängt ein Feld A also von vier Variablen ab, den drei Ortskoordinaten und der Zeit: \(A = A(\vec x, t) = A(x, y, z, t)\) Oft kann man aber ein Feld mithilfe von Symmetrieüberlegungen auf nur eine Ortsvariable zurückführen, etwa beim (annähernd) radialsymmetrischen Schwerefeld der Erde oder beim elektrischen Feld in einem Plattenkondensator. Wenn das Feld dazu noch zeitlich konstant ist (dies ist sowohl bei der...

  • Fermionen

    Fermionen (nach Enrico Fermi) sind Elementarteilchen, die einen halbzahligen Spin haben, also \(s = \left( \dfrac 1 2,\ \dfrac 3 2,\ \dfrac 5 2,\ \ldots \right) \cdot \hbar\). Alle fundamentalen Elementarteilchen, d. h. nach heutigem Wissen wirklich elementaren Partikel, mit dieser Eigenschaft sind Materie-„Elementarteilchen“, nämlich die Quarks und die Leptonen wie das Elektron, das Neutrino und ihre schwereren Verwandten. Fundamentale Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin sind Austauschteilchen. Aus Fermionen zusammengesetzte „Elementarteilchen“ können je nach Anzahl der enthaltenen...

  • Fernrohr

    Ein Fernrohr (Teleskop) ist ein optisches Instrument, mit dem entfernte Objekte unter einem größeren Winkel, also vergrößert, abgebildet werden können. Alle Fernrohre besitzen mindestens zwei optische Komponenten, ein Objektiv und ein Okular. Dabei fällt der bildseitige Brennpunkt des Objektivs mit einem Brennpunkt des Okulars zusammen. Das langbrennweitige Objektiv ist immer sammelnd, während das Okular, welches das vom Objektiv erzeugte reelle Bild vergrößert, sowohl sammelnd als auch zerstreuend wirken kann. Um verschiedene Abbildungsfehler zu vermeiden, bestehen beide Komponenten meist aus...

  • Ferromagnetismus

    Der Ferromagnetismus (von lat. ferrum „Eisen“) ist eine Form der magnetischen Ordnung in Festkörpern, die vor allem in Eisen und den verwandten Metallen Cobalt und Nickel beobachtet wird. Stoffe mit ferromagnetischem Verhalten nennt man Ferromagnetika (Singular: Ferromagnetikum). Ferromagnetika besitzen unterhalb einer materialabhängigen kritischen Curie-Temperatur TC (nach Pierre Curie) eine permanente Magnetisierung, d. h., die atomaren magnetischen Momente (Elementarmagnete) zeigen in eine Vorzugsrichtung. Der Grund dafür ist, dass es in Ferromagnetika für die Atome aufgrund einer sog...

  • Festkörperphysik

    Die Festkörperphysik untersucht die makroskopischen Eigenschaften fester Körper und versucht, sie aus ihrer mikroskopischen Struktur heraus zur erklären – ähnlich wie die Quantenstatistik die thermodynamischen Eigenschaften von Körpern aus den Quanteneigenschaften ihrer kleinsten Bestandteile ableitet. Wichtige Teilgebiete sind die Aufklärung von Kristallstrukturen, die Bestimmung von Bindungsverhältnissen sowie das Verhalten von Festkörpern unter mechanischen Spannungen oder in elektromagnetischen Feldern. Eine wichtige theoretische Vorstellung ist die Übertragung der Welle-Teilchen-Dualität...

  • Flugzeuge und dynamischer Auftrieb

    Ein Flugzeug fliegt, genau wie Vögel, Insekten und Fledermäuse, aufgrund des sog. dynamischen Auftriebs. Dieser wirkt auf Körper, die sich durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewegen. Er tritt auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite des umströmten Körpers (genauer gesagt der Flügel von Flugzeug, Vogel usw.) größer ist als auf der Unterseite. Dies führt nämlich zu einem niedrigeren Druck auf der Oberseite im Vergleich zur Unterseite und damit zu einer nach oben gerichteten Kraft. Grundsätzlich ist der dynamische Auftrieb abhängig von der Geschwindigkeit, normale Flugzeuge...

  • Flüssigkristalle

    Flüssigkristalle sind eine besondere Gruppe von Materialien, die sowohl Eigenschaften eines geordneten Kristalls als auch solche von ungeordneten Flüssigkeiten aufweisen. Sie bestehen in der Regel aus lang gestreckten Molekülen aus 10–100 Atomen, die sich gegeneinander verschieben lassen, aber ihre parallele räumliche Anordnung behalten. Durch elektrische Signale lässt sich die Anordnung beeinflussen, wodurch sich insbesondere die optische Aktivität des Materials dreht. Damit kann man daher elektronisch schaltbare Bildpunkte konstruiere, welche die Grundlage der Flüssigkristallanzeige (engl...

  • Fossile Brennstoffe

    Fossile Brennstoffe (von lat. fossilis „ausgrabbar“) sind die derzeit weltweit am meisten eingesetzten Energieträger; hierzu zählen Erdöl, Kohle, Erdgas. Sie stellen keine auf menschlichen Zeitskalen erneuerbaren Energiequellen dar, da es zig bis Hunderte von Millionen Jahren dauert, bis sich aus der Biomasse vergangener Erdzeitalter fossilierte Lagerstätten bilden. Häufig wird auch der Kernbrennstoff Uran als fossiler Brennstoff bezeichnet, da er ebenfalls bergmännisch gewonnen wird und sich erschöpfte Lagerstätten nicht erneuern können. Hier liegt die Bildung sogar noch länger zurück: Es...

  • Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt)

    Der Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt) ist die allgemeine Bezeichnung für verschiedene Effekte, bei denen Photonen des sichtbaren, UV-, Röntgen- oder Gamma-Spektralbereichs von Hülle oder Kern eines Atoms absorbiert werden. Die dadurch gewonnene Energie führt in der Regel zur Emission eines Elektrons oder Nukleons. Beim äußeren Fotoeffekt absorbiert ein Leitungselektron eines Metalls ein einfallendes Photon und überwindet dadurch die Anziehung des Atomgitters, tritt also aus der Metalloberfläche aus (Fotoemission, Hallwachs-Effekt). Die kinetische Energie der emittierten Elektronen ist...

  • Franck-Hertz-Versuch

    Der Franck-Hertz-Versuch (nach James Franck und Gustav Hertz, dem Neffen von Heinrich Hertz) war ein Schlüsselexperiment auf dem Weg zur Quantenphysik. Er wies erstmals die diskreten Energieniveaus in der Atomhülle nach. Der Aufbau besteht aus einer Triode, also einer Elektronenröhre, die außer der Auffanganode A und einer beheizbaren Glühkathode K noch eine Beschleunigungselektrode B besitzt, die als Gitter ausgeführt ist (Abb.). Die Röhre ist mit Quecksilberdampf gefüllt. Zwischen K und B liegt eine Beschleunigungsspannung UB an, zwischen B und A eine kleine Gegenspannung \(U_\text g\approx...

  • Freier Fall

    Der freie Fall ist ein auch historisch bedeutsamer Spezialfall der eindimensionalen, gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Dabei bewegt sich ein Massenpunkt oder Körper nur unter dem Einfluss der von der Schwerenanziehung der Erde, also, wie der Name schon andeutet, nach unten. Der Luftwiderstand wird beim freien Fall vernachlässigt. Unter dieser Voraussetzung gilt die wichtige physikalische Aussage, dass alle Körper unabhängig von ihrer Masse gleich schnell fallen, die auch eine der Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie darstellt. Für Präzisionsmessungen realisiert man den freien Fall...

  • Frequenz

    Die Frequenz (von lat. frequentia „Häufigkeit“) f gibt an, wie oft ein Vorgang sich innerhalb einer Zeitspanne t wiederholt: \(f = \dfrac n t\) (n: Anzahl der Wiederholungen). Bei Schwingungen und Wellen gibt die Frequenz an, wie viele Perioden pro Zeiteinheit durchlaufen werden. f ist der Kehrwert der Dauer T einer Schwingungsperiode: \(f = \dfrac 1 T\) Die Einheit von f ist demnach das 1/s. Hierfür wird in der Regel der Name Hertz (nach Heinrich Hertz) benutzt, es ist \(1\,\text{Hz} = \dfrac 1 {\text s}\). Das \(2\pi\)-Fache der Frequenz ist die Kreisfrequenz \(\omega = 2\pi f\). In Natur...