Physik Schülerlexikon

Die Magdeburger Halbkugeln waren ein physikhistorisch bedeutsames Experiment, das der Magdeburger Naturforscher und Bürgermeister Otto v. Guericke Mitte des 17. Jh. hat durchführen lassen, um die Wirkung des Luftdrucks und die Möglichkeit eines Vakuums zu demonstrieren. Der Aufbau besteht aus zwei hohlen Kupferhalbkugeln mit 42 cm Durchmesser, die sich luftdicht aneinander drücken lassen. Pumpt man den Innenraum mit der ebenfalls von Guericke erfundenen Luftpumpe weitgehend luftleer, erzeugt man also im Inneren ein Vakuum, werden die Halbkugeln durch den äußeren Luftdruck zusammengepresst. Bei...

Die in einem magnetischen Feld enthaltene Energie E mag : \(E_\text{mag} = \dfrac 1 2 \cdot B^2 \cdot V\) Dabei sind B der Betrag der magnetischen Flussdichte und V das vom Feld erfüllte Volumen. Wenn die Permeabilität bzw. Permeabilitätszahl des betrachteten Volumens berücksichtigt werden muss, d. h., wenn Magnetisierungseffekte eine Rolle spielen, muss man auch die sog. magnetische Feldstärke H in die Formel einfügen. Sie lautet dann \(E_\text{mag} = \dfrac 1 2 \cdot B \cdot H \cdot V\) Wenn das betrachtete Magnetfeld z. B. durch eine von dem Strom I durchflossene lange Zylinderspule...

Die magnetische Feldkonstante ( Induktionskonstante , absolute Permeabilität ) \(\mu_0\) ist eine Naturkonstante, deren Wert allerdings von der Wahl des Einheitensystems abhängt. Während Sie im Internationales Einheitensystem (SI) den Wert \(\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7} \dfrac{\text{Vs}}{\text{Am}}\) hat, beträgt sie im früher üblichen cgs-System einfach 1 (d. h., das cgs-System hat gar keine magnetische Feldkonstante). Die SI-Einheit von \(\mu_0\) ist Voltsekunde durch Amperemeter, es gilt: \(1\,\dfrac{\text{Vs}}{\text{Am}} = 1\,\dfrac{\text T \cdot \text m }{\text{A}}\) \(\mu_0\) , die...

Die magnetische Flussdichte (früher auch magnetische Induktion ) \(\vec B\) ist die grundlegende vektorielle Größe zur Beschreibung des magnetischen Felds , insbesondere im Vakuum. In Materie, wo es zu Magnetisierungseffekten kommen kann, wird manchmal auch der Vektor \(\vec H\) benutzt, der aus historischen Gründen (und leider ziemlich missverständlich) magnetische Feldstärke genannt wird. Zwischen \(\vec B\) und \(\vec H\) gilt die Beziehung \(\vec B = \mu \cdot \vec H = \mu_0 \mu_\text r \cdot \vec H\) ( \(\mu\) : Permeabilität , \(\mu_0\) : magnetische Feldkonstante , \(\mu_\text r\)...

Der magnetische Fluss \(\Phi\) ist eine der physikalischen Größen, mit denen magnetische und elektromagnetische Vorgänge beschrieben werden. Die SI-Einheit des magnetischen Flusses ist das Weber (Wb). Zu einem gegebenen ( homogenen) magnetischen Feld mit der magnetischen Flussdichte \(\vec B\) ist der zugehörige magnetische Fluss durch eine Fläche A gegebenen durch \(\Phi = |\vec B| \cdot A \cdot \cos \alpha\) Dabei ist \(\alpha\) der Winkel zwischen der Flächennormalen und der Richtung des Magnetfelds. (Bei einem inhomogenen Magnetfeld erfolgt die Definition im Prinzip analog, allerdings...

Mit einem Magnetfeld wird die Wirkung von magnetischen Kräften beschrieben. Es tritt beispielsweise bei Dauermagneten , elektrischen Strömen oder magnetisierten Stoffen auf. Das magnetische Feld unterscheidet sich vom elektrischen Feld in zwei Punkten: Es gibt keine magnetischen Punktladungen oder Monopole. Magnetische Feldlinien beginnen und enden nirgends, sondern sind immer in sich geschlossen. Auch bei Stab- oder Hufeisenmagneten enden die Feldlinien nur scheinbar an deren Oberfläche. In Wirklichkeit setzen sie sich in deren Inneren fort. Ein Magnetfeld wird immer durch bewegte elektrische...

Das magnetische Moment gibt die Stärke eines magnetischen Dipols an. Anders als bei elektrischen Feldern gibt es keine isolierten magnetischen Punktladungen bzw. Pole, deswegen ist das Dipolfeld die einfachste Form eines Magnetfelds . Exakte oder angenäherte magnetische Dipolfelder besitzen ein Stabmagnet, eine Leiterschleife oder auch das Wasserstoffatom im Grundzustand. Formal kann man das magnetische Moment \(\vec m\) über das Feld einer Leiterschleife definieren. Sein B etrag ist bei einer Leiterschleife mit Fläche A und Stromstärke I das Produkt \(m = I \cdot A\) . Die Richtung von \(...

Die Magnetisierung hat in der Physik zwei Bedeutungen: Einerseits versteht man darunter die Ausrichtung der Elementarmagnete eines Stoffes durch ein äußeres Magnetfeld . Zum anderen ist sie eine vektorielle Größe mit dem Formelzeichen \(\vec M\) , welche die Größe dieses Effekts in Betrag und Richtung beschreibt. \(\vec M\) ist definiert als das Verhältnis aus dem magnetischen Moment \(\vec m\) eines Körpers und seinem Volumen V : (man kann sich \(\vec M\) also als eine „Magnetmomentdichte“ vorstellen ): \(\vec M = \dfrac {\vec m} V\) SI-Einheit der Magnetisierung ist Am 2 /m 3 = A/m...

Ein Manometer (von griech. manos »dünn«) ist Gerät zur Messung des Drucks in Flüssigkeiten und Gasen. Speziell bei der Messung des Luftdrucks spricht man meist von einem Barometer . Manometer zur Messung von Drücken, die (viel) kleiner sind als der Normaldruck , nennt man Vakuummeter . Bei einem Flüssigkeitsmanometer vergleicht man den zu messenden Druck mit dem Druck, den eine definierte Flüssigkeitssäule aufgrund ihrer Gewichtskraft ausübt. In der einfachsten Bauart, dem U-Rohr-Manometer , ergibt sich die Differenz zwischen dem zu messenden Druck p m und dem äußeren Luftdruck p L aus dem...

Die Masse ist eine wesentlichen Grundgrößen der Physik, ihre Einheit, das Kilogramm , ist eine der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems . Anders als im Alltag kennt die Physik zwei grundsätzlich verschiedene Aspekte der Masse, deren Äquivalenz in keinster Weise selbstverständlich ist, nämlich die schwere und die träge Masse. Die schwere Masse m s ist die Ursache der Gravitation bzw. Massenanziehung (daher der Name!) zwischen zwei beliebigen Körpern. Sie spielt dabei ganz genau dieselbe Rolle wie die elektrische Ladung bezüglich der elektromagnetischen Wechselwirkungen...

Der Massendefekt eines Atomkerns die Differenz zwischen der Summe der Ruhemassen sämtlicher Nukleonen und der tatsächlichen Kernmasse. Dieser Massenunterschied lässt sich mit der Äquivalenz von Masse und Energie erklären: Er entspricht exakt der Energie, die in der Bindung der Nukleonen untereinander steckt, also der Kernbindungsenergie .

Massenpunkt und Punktladung sind zwei Idealisierungen, mit denen sich viele Fragen in der Mechanik bzw. der Elektrizitätslehre theoretisch untersuchen lassen: Ein Massenpunkt (eine Punktmasse) hat keine Ausdehnung bzw. keine Volumen hat. Er kann deshalb nicht (um sich selbst) rotieren. Die Bewegungen vieler ausgedehnter Körper lassen sich durch die Bewegung einer Punktmasse in deren Schwerpunkt theoretisch beschreiben. Eine Punktladung ist das elektrische Analogon eines Massenpunkts. Sie besitzt kein Dipolmoment und wird in der Regel auch masselos angenommen, da die Effekte der Schwerkraft im...

Ein Massenspektrometer oder Massenspektrograf ist eine Apparatur, mit der man elektrisch geladene Teilchen unterschiedlicher Masse mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern trennen und die Häufigkeit der auftretenden Teilchenmassen (das sog. Massenspektrum ) bestimmen kann. Das erste empfindliche Massenspektrometer war der von Francis W. Aston 1919 gebaute Aston’sche Massenspektrograf . Er hatte den folgenden Aufbau: Die Teilchen werden zunächst ionisiert (wenn nötig, müssen sie vorher noch in die Gasphase überführt, d. h. verdampft werden). Die Ionen werden dann erst in einem...

Bei einem Atomkern gibt die Massenzahl bzw. Nukleonenzahl A an, wieviel Protonen und Neutronen zusammengenommen im Kern enthalten sind. Sie entspricht ungefähr der Atommasse in der atomaren Masseneinheit u, allerdings werden die Abweichungen von dieser Faustregel desto größer, je größer der Kern insgesamt ist. Mit der Ordungszahl ( Kernladungszahl , Protonenzahl ) Z und der Neutronenzahl N gilt: A = Z + N

Eine Materialkonstante oder Stoffkonstante ist eine physikalische Größe, deren Wert vom Material des betrachteten Körpers abhängt. Eine Materialkonstante hat für dasselbe Material unter denselben Bedingungen immer den gleichen Wert, sie kann aber durchaus von der Temperatur , dem pH-Wert oder anderne Umgebungsvariablen abhängen. Im Gegensatz zu Materialkonstanten haben Naturkonstanten immer und überall denselben Wert. Beispiele: Dichte , Wärmeleitfähigkeit , Brechungsindex , spezifischer (elektrischer) Widerstand

Die vier Maxwell-Gleichungen (nach James C. Maxwell ) beschreiben im Prinzip alle elektrischen, magnetischen und optischen Erscheinungen und sind insofern genauso grundlegend wie die Newton’schen Axiome der Mechanik und das Newton’sche Gravitationsgesetz . Es handelt sich dabei um vier mathematisch relativ anspruchsvolle Differenzialgleichungen , deren eingehende Behandlung normalerweise nicht auf dem Lehrplan der Schule steht. Ihr physikalischer Gehalt lässt sich aber gut in der Sprache der Schulphysik formulieren und drückt sich auch in bekannten Gesetzen des klassischen Elektromagnetismus...

Die Mechanik (von griech. mechanikos „erfinderisch „) ist das älteste Teilgebiet der Physik. Man teilt sie in die drei Bereiche Kinematik (Beschreibung und Untersuchung von Bewegungen ), Dynamik (Lehre von den Wirkungen der Kräfte ) und Statik (mechanisches Gleichgewicht ). Grundlage aller Gesetze der klassischen Mechanik sind die drei Newton’schen Axiome . Wenn statt Punktmassen bzw. Schwerpunktbewegungen ausgedehnte Körper untersucht werden, treten weitere Effekte auf. Neben den starren Körpern werden elastische und plastische Verformungen sowie Statik und Dynamik von Flüssigkeiten behandelt...

Als mechanische Spannung oder elastische Spannung , Formelzeichen \(\sigma\) oder \(\tau\) (s. u.), bezeichnet man das Verhältnis aus dem Betrag F der an eine Fläche angreifenden Kraft und deren Flächeninhalt A . Man kann diese Spannung in eine Normalspannung \(\sigma\) und eine Tangential - oder Schubspannung \(\tau\) zerlegen. Dabei ist \(\sigma\) die senkrecht auf die Fläche einwirkende Komponente, \(\tau\) beschreibt parallel zur Fläche angreifende Kräfte. Falls die Kraft in mehrere bzw. alle Richtungen gleichzeitig wirkt, z. B. auf die Wände eines Behälters, verwendet man statt der...

Die medizinische Physik ist ein mit der Biophysik verwandtes Fachgebiet der Physik, in dem physikalische Methoden auf Probleme der Medizin in Diagnostik und Therapie angewandt werden. Die praktische Umsetzung ist Aufgabe der Medizintechnik . Charakteristisch sind Methoden und Verfahren, in denen die Messung physikalischer Größen oder das Ausnutzen physikalischer Effekte eine Rolle spielen, z. B. die Messung von Körpertemperatur, Puls und Blutdruck, die Aufzeichnung von Herz- und Hirnströmen (EKG bzw. EEG), die Aufnahme von Röntgen - und Ultraschallbildern oder tomogrammen (computergenerierten...

Mesonen (von griech. mesos „der Mittlere“ [zwischen Leptonen und Baryonen]) sind aus zwei Quarks zusammengesetzte subatomare Teilchen. Sie bestehen immer aus einem Quark und einem Antiquark, von denen jeweils eine die Antifarbe der Farbe des anderen trägt, sodass die Partikel nach außen farbneutral sind. Mesonen haben ganzzahligen Spin , und zwar entweder s = 0 (die Spins der beiden Quarks sind antiparallel) oder s = 1 (Einzelspins parallel). Damit sind sie Bosonen . Die leichtesten Mesonen enthalten nur u- und d-Quarks. Die Spin-0-Kombinationen sind die Pionen , die es mit der Ladung + e , –...

Eine Messreihe ist die wiederholte Messung einer physikalischen Größe mit demselben Messaufbau, wobei alle übrigen relevanten Parameter unverändert bleiben bzw. mitgemessen werden, um ihren Einfluss auf das Ergebnis kontrollieren zu können. Ist die Messreihe „lang“ genug, mitteln sich statistische Fehler heraus und der zufällige Messfehler lässt sich minimieren. Mithilfe der Fehlerrechnung kann man dies sogar zahlenmäßig auswerten.

Die Meteorologie (von griech. meteoros „in der Luft schwebend“) ist ein Teilgebiet der Geophysik , das die Physik und Chemie der Atmosphäre (bis in ca. 80 km Höhe), die Lehre von den Erscheinungen und Vorgängen in der Lufthülle sowie die Lehre vom Wettergeschehen umfasst. Dazu nutzt sie besonders die Gesetze und Beziehungen der Hydrodynamik und der Wärmelehre . Wichtigste Aufgabe der M. ist die Wettervorhersage, die auf der kontinuierlichen Beobachtung des Wetters und des Zustands der Atmosphäre beruht. Auch die Klimaforschung zählt zur Meteorologie, wird aber wegen ihrer großen aktuellen...

Das Meter (von lat. metrum „Maß“), Einheitenzeichen m, ist die SI-Einheit der Länge , eine der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems . Die Definition des Meters ist seit 1983 sehr einfach: 1 m ist die Strecke, die das Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft. Da der Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als Konstante definiert wurde, werden Längenmessungen im Prinzip auf Zeitmessungen zurückgeführt (aus praktischen Gründen kann es trotzdem oft sinnvoll sein, den Zollstock und nicht die Armbanduhr zur Längenmessung zu verwenden)...

Der Michelson-Versuch, auch Versuch von Michelson-Morley (nach Abraham A. Michelson und Edward W. Morley ), war ein Schlüsselexperiment auf dem Weg zur Formulierung der Relativitätstheorie . Er wurde zuerst 1881 und dann in verbesserter Form 1887 durchgeführt und hatte zum Ziel, die Existenz des Äthers als Ausbreitungsmedium für elektromagnetische Wellen und als absolutes Bezugssystem für die Beschreibung beliebiger Bewegungen nachzuweisen. Wenn es diesen Äther gäbe, dann würde sich die Erde relativ zu ihm bewegen und eine Art „Fahrtwind“, den sog. Ätherwind spüren. Dies würde sich dann darin...

Ein Mikroskop (von griech. skopein „beobachten“) ist ein optisches Gerät zur vergrößerten Betrachtung kleiner Gegenstände; das Mikroskop vergrößert also den Sehwinkel , unter dem das Objekt wahrgenommen wird. Im Prinzip besteht das Mikroskop aus zwei Sammellinsen kleiner Brennweite , die man Objektiv und Okular nennt. In der Praxis werden statt der einzelner Sammellinsen Linsensysteme verwendet. Das zu untersuchende Objekt wird meist auf eine Glasplatte gebracht und von einer Lichtquelle beleuchtet ( Durchlichtmikroskop ). Undurchsichtige Objekte können auch von oben beleuchtet werden (...

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen etwa 1 GHz und etwa 0,3 THz (dies entspricht Wellenlängen zwischen 30 cm und 1 mm), manchmal rechnet man auch Wellen ab 300 MHz (entsprechend 1 m) dazu. Die Mikrowellen liegen damit im elektromagnetischen Spektrum zwischen Radiowellen und Infrarotstrahlung . Bei der Erzeugung von Mikrowellen ist zu beachten, dass die in der Elektronik sonst übliche Technik nur bedingt angewendet werden kann, weil die Abmessungen der Bauelemente und die Wellenlängen dieselbe Größenordnung haben. Mikrowellen geringer Leistung erzeugt man...

Die mittlere freie Weglänge (manchmal auch nur freie Weglänge ) ist diejenige Strecke \(\lambda\) , die ein Teilchen in einem umgebenden Medium (Festkörper, Flüssigkeit, Gas, Plasma) zurücklegen kann, ohne mit einem Teilchen des Mediums in Wechselwirkung zu treten. In einer Elektronenröhre ist \(\lambda\) z. B. die Strecke, die ein aus der Kathode ausgetretenes Elektron zwischen zwei Stößen mit einem Gasmolekül zurücklegt. In einem elektrischen Kabel die Strecke, die ein Leitungselektron ungestört „driften“ kann. Die mittlere freie Weglänge eines Gasteilchens zwischen zwei Stößen mit anderen...

Die Mohs’sche Härteskala (nach Friedrich Mohs ) teilt die Härte bzw. Festigkeit von Festkörpern (ursprünglich nur von Edelsteinen) in zehn Klassen ein. Die Härte ist dabei definiert als ein Maß des Widerstands, den ein Körper einer Verletzung seiner Oberfläche entgegensetzt. Ein Körper 1 ist definitionsgemäß härter als ein Körper 2, wenn man mit Körper 1 den Körper 2 ritzen kann. Stoff Härtestufe Talk 1 Gips 2 Kalkspat 3 Flussspat 4 Apatit 5 Orthoklas 6 Quarz 7 Topas 8 Korund 9 Diamant 10

Myon und Tauon sind als geladene Leptonen die „großen Geschwister“ des Elektrons . Außer in ihrer Masse und Lebensdauer sind die drei Teilchen identisch. Das Myon ist mit einer Masse (genauer: Ruheenergie ) von 106 MeV das leichstete nicht stabile Elementarteilchen . Seine Lebensdauer ist mit 2,2 ms extrem lang für die Verhältnisse der Elementarteilchenphysik, aber dennoch zu kurz, um mit annähernd Lichtgeschwindigkeit von der Hochatmosphäre bis zum Erdboden zu gelangen. Dass man trotzdem Myonen aus der kosmischen Strahlung am Erdboden beobachtet, ist ein direkter Beweis der von der Speziellen...