Physiklehrgang Oberstufe

Damit nun meine Arbeit nicht in Aktenordnern verschwindet, bin ich dabei, meinen Physiklehrgang, den ich mit wechselnden Schwerpunkten genau neun Mal als Leistungskurs in den Jahrgangsstufen 11–13 durchgeführt habe, hier allgemein zugänglich zu machen. Bis jetzt sind untenstehende Kapitel bearbeitet. Weitere Kapitel sollen in loser Folge dazukommen. Der aktuelle Bearbeitungsstand ergibt sich aus dem Datum auf dem Titelblatt.

27.04.2025 Neu hinzugekommen ist das Kapitel 42 Experimente mit dem Röntgengerät. Das Kapitel 43 Ideen zur Quantenmechanik ist für die nächste Bearbeitung vorgesehen.
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Physik-Lehrgang (I Mechanik) Kapitel 1–8;
Physik-Lehrgang (II Wellen) Kapitel 9–18;
Physik-Lehrgang (III Felder) Kapitel 19–34;
Physik-Lehrgang (IV Teilchen) Kapitel 35–42.

Inhalt

1. Kinematik geradliniger Bewegungen

1. Einführende Bemerkungen
2. Die gleichförmige Bewegung
3. Die glf. Bewegung in einem Experiment
4. Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung
5. Der freie Fall

2. Mehrdimensionale Bewegungen

1. Geschwindigkeit als Vektor
2. Wurfbewegungen

3. Masse und Kraft

1. Definition der Masse eines Körpers
2. Impulserhaltung
3. Die Newtonschen Axiome
4. Experiment: Dynamische und statische Kraftmessung
5. Vermischte Beispiele zur Dynamik
6. Reibungskräfte

4. Arbeit, Leistung, Energie

1. Grundsätzliches: Mechanische Arbeit, Leistung und Energie
2. Spezielle Formen der Arbeit und Energie in der Mechanik
3. Ergänzende Beispiele zu Arbeit und Leistung
4. Energieerhaltung

5. Erhaltungssätze in Kombination; Stoßversuche

1. Der Satz von Carnot
2. Der gerade elastische Stoß

6. Kreisbewegung

1. Kinematik der Kreisbewegung
2. Dynamik der Kreisbewegung
3. Experiment mit Zentralkraftgerät
4. Beispiele zur Dynamik der Kreisbewegung

7. Rotationsbewegungen (starrer Körper)

1. Rotationsenergie und Trägheitsmoment
2. Experimentelle Bestimmung des Trägheitsmoments
3. Arbeit vs. Drehmoment
4. Die Analogie zwischen geradlinigen und Drehbewegungen
5. Erhaltungssätze
6. Beispiele

8. Schwingungen

1. Grundlagen
2. Die harmonische Schwingung
3. Beispiele für Schwingungen
4. Gedämpfte Schwingungen; Resonanz

9. Grundbegriffe der Wellenlehre

1. Vom Doppelpendel zur Welle
2. Experimente und Messungen an Schallwellen
3. Die Wellengleichung
4. Beispiele

10. Interferenz

1. Einführung
2. Interferenzmuster
3. Beobachtbare Interferenz

11. Reflexion von Wellen

1. Zwei Arten von Spiegelungen bei Wellen
2. Stehende Wellen

12. Beugung

1. Das Huygenssche Prinzip
2. Beugung

13. Optik (Lehre vom Licht)

1. Grundgesetze der Strahlenoptik
2. Licht als Wellenerscheinung

14. Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

1. Geschichtliche Übersicht über einige Messmethoden
2. Laufzeitmessung mit modulierten Signalen

15. Wellenoptik

1. Interferenz am Fresnelspiegel
2. Beugung und Interferenz am Doppelspalt und Gitter
3. Beugung und Interferenz am Einzelspalt
4. Medium und Wellenlänge

16. Intensitätsverteilungen

1. Überlagerung von Schwingungen
2. Interferenz am Doppelspalt
3. Interferenz am optischen Gitter
4. Interferenz und Beugung am Einfachspalt
5. Zusammenfassung
6. Experimente zur Intensitätsverteilung

17. Polarisation

1. Begriffsbildung
2. Polarisation von Licht
3. Magnetische Wirkung auf Licht; Faraday Effekt

18. Dopplereffekt

1. Die Schallquelle ruht
2. Der Beobachter ruht
3. Zusammenfassende Betrachtung
4. Schallmauer und Überschallknall

19. Allgemeine Grundlagen; die el. Ladung

1. Die Glimmlampe
2. Leiter und Isolatoren
3. Eigenschaften der el. Ladung
4. Elementare atomistische Begriffe
5. Stromstärke und Ladung

20. Felder und Feldstärke

1. Der Feldbegriff
2. Feldstärke

21. Arbeit im el. Feld I – el. Spannung

1. Arbeit im homogenen el. Feld
2. Beispiele

22. Plattenkondensator – Kapazität

1. Messungen am Plattenkondensator
2. Materie im el. Feld
3. Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren
4. Parallel- und Reihenschaltung von el. Widerständen
5. Die Kapazität einer Kugel
6. Beispiele

23. Elektronen im el. Feld

1. Glühelektrischer Effekt
2. Experiment mit der Elektronenstrahlablenkröhre

24. Arbeit im el. Feld II – el. Potential

1. Wegunabhängigkeit der Arbeit im el. Feld
2. Allgemeine Definition der Spannung
3. Umlaufspannung
4. Potential
5. Potential des homogenen Feldes (Platten- kondensator)
6. Das radialsymmetrische Feld
7. Feld- und Äquipotentiallinien
8. Der Kugelkondensator
9. Kraftwirkung von Kondensatorplatten aufeinander
10. Energie des el. Feldes

25. Der el. Fluss

1. Vorbemerkung
2. Der Fluss eines Teilchenstromes
3. Der el. Fluss; Satz von Gauß
4. Maxwellsche Gleichungen für das el. Feld

26. Das mg. Feld

1. Elementare Vorbemerkungen
2. Das mg. Feld von Permanentmagneten

27. Das zeitl. konst. mg. Feld von Strömen

1. Ørsteds Versuch (1820)
2. Folgerungen: Maxwellsche Gleichungen für das mg. Feld
3. Zusammenfassung: Maxwellsche Gleichungen
4. Mg. Feldlinienbilder stromdurchflossener Leiter
5. Definition einer Feldgröße für das mg. Feld
6. Berechnung mg. Felder
7. Experiment: Bestimmung der mg. Feldkonstante
8. Kraftwirkung zwischen Leitern

28. Messung mg. Felder mit der Hall-Sonde

29. Elektronen im mg. Feld

1. Das Fadenstrahlrohr
2. Das Feld der Helmholtzspulen
3. Messungen zur spezifischen Ladung von Elektronen

30. Zeitabhängige Felder – Induktion

1. Zeitlich veränderliches mg. Feld
2. Zeitlich veränderlicher mg. Fluss
3. Die Orientierung des Induktionsstromes
4. Beispiele
5. Bewegte Magnete und Kreisströme
6. Bestimmung der mg. Feldkonstante

31. Spule und Kondensator

1. Hinweise zu Vorkenntnissen
2. Strom- und Spannungsverlauf bei einer Spule
3. Spannungs- und Stromverlauf bei einem Kondensator
4. Ein- und Ausschaltvorgänge mit dem Oszilloskop

32. Das elektromagnetische Feld

1. Energie des mg. Feldes
2. Die Maxwellschen Gleichungen für beliebige el. und mg. Felder
3. Ein Überblick über wichtige Naturwissenschaftler

33. Die Erzeugung elmg. Schwingungen

1. Wechselströme und Spannungen
2. Induktiver Widerstand von Spulen
3. Kapazitiver Widerstand von Kondensatoren
4. Ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand in Reihe
5. Induktiver und kapazitiver Widerstand in Parallelschaltung

34. Elmg. Schwingungen und Wellen

1. Der 1 Hz-Schwingkreis
2. Ergänzende Betrachtungen zum elmg. Schwingkreis
3. Die Erzeugung ungedämpfter elmg. Schwingungen
4. Elmg. Wellen

35. Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern

1. Widerstandsverhalten unterschiedlicher Materialien
2. Information: Das Bändermodell
3. Leitfähigkeit und Temperatur
4. Leitfähigkeit von Halbleitern
5. Die Halbleiterdiode
6. Der Transistor

36. Elektrische Leitungsvorgänge in Gasen

1. Allgemeine Betrachtungen
2. Selbstständige Gasentladung bei Verminderung des Druckes
3. Anwendungen von Gasentladungsröhren
4. Kathodenstrahlen; Eigenschaften von Elektronen
5. Kanalstrahlen, Massenspektroskopie

37. Grundlagen der Atomistik

1. Isotopie
2. Atomare Masseneinheit und Stoffmenge
3. Beispielrechnungen im Bereich der Atome

38 Das Konzept der Lichtquanten

1. Plancksches Strahlungsgesetz
2. Photoeffekt

39 Grenzen der klassischen Physik

1. Das Michelson und Morley Experiment
2. Spektroskopie
3. Bohrsche Formel und Franck-Hertz-Versuch

40 Atommodelle

1. Geschichtliche Übersicht über die ersten Atomodelle
2. Streuversuche von Lenard und Rutherford
3. Der halbklassische Atomaufbau von Nils Bohr

41 Lichtteilchen und Materiewellen

1. Wellen und Teilchen in Messvorschriften
2. Wellen und Teilchen im Experiment
3. Beugung von Elektronen im Experiment

42 Experimente mit dem Röntgengerät

1. Allgemeine Eigenschaften der Strahlung
2. Untersuchung des Spektrums der Röntgenstrahlung
3. Messungen mit Auswertungen

Anhang

A Ermittlung einer Regressionsgerade
B Strahlensätze
C.1 Trigonometrie in 5 Minuten
C.2 Ergänzende Anmerkungen
C.3 Beispiele
C.4 Gradmaß und Bogenmaß
C.5 sin-, cos- und tan-Funktion am Einheitskreis
C.6 Sätze für Berechnungen an beliebigen Dreiecken
C.7 Additionstheoreme
C.8 Die Cotangens-Funktion
D.1 Potenzfunktionen
D.2 Exponentialfunktionen
D.3 Logarithmusfunktionen
E Protokoll zum Millikan-Versuch

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Physik-Lehrgang (I Mechanik) Kapitel 1–8;
Physik-Lehrgang (II Wellen) Kapitel 9–18;
Physik-Lehrgang (III Felder) Kapitel 19–34;
Physik-Lehrgang (IV Teilchen) Kapitel 35–42.

Zuletzt geändert:

27.04.2025 Das Kapitel 42 Experimente mit dem Röntgengerät stellt diverse Versuchsergebnisse mit einem älteren Röntgengerät von Leybold zusammen. Das Spektrum einer Molybdän-Kathode wird mit NaCl- bzw. LiF-Einkristallen untersucht. Ferner wird die Absorption von Röntgenstrahlen betrachtet und gemessen. Das Kapitel 43 Ideen zur Quantenmechanik ist für die nächste Bearbeitung vorgesehen. 18.10.2024 Das Kapitel 41 Lichtteilchen und Materiewellen ist fertig und behandelt den „Dualismus“ Welle/Teilchen. Schon die Überschrift des Kapitels soll dies andeuten. Röntgenstrahlen und Elektronen werden halbklassisch als Quantenobjekte dargestellt. Eine genauere Betrachtung der Röntgenstrahlen soll in Kapitel 42 erfolgen. 10.06.2024 Das Kapitel 40 Atommodelle habe ich hinzugefügt. Neben einem geschichtlichen Überblick wird genauer auf das Rutherforsche Atommodell eingegangen. Insbesondere wird die Konstruktion der Bahnkurven von Alpha-Teilchen in der Nähe von Atomkernen so betrachtet, dass sie schrittweise für verschiedene Stoßparameter gezeichnet werden können. 19.12.2023 Das Physikbuch – wie es mittlerweile genannt wird – ist um das Kapitel 39 Grenzen der klassischen Physik gewachsen. Es geht um weitere ungelöste Probleme der klassischen Physik am Ende des 19. Jahrhunderts: Das Problem des Trägers der elektromagnetischen Wellen (Äther) und das Nichtverstehen des Zustandekommens der Spektrallinien. Die Rydberg-Formel beschreibt die Spektrallinien im Wesentlichen für Wasserstoff, erklärt sie aber nicht. Erst das Atommodell von Bohr vermag ein gewisses Modell zu vermitteln. 12.06.2023 Neu hinzugekommen sind die Kapitel 37 Grundlagen der Atomistik und 38 Das Konzept der Lichtquanten. Das Kapitel 39 Quanten- und klassische Physik ist für die nächste Bearbeitung vorgesehen. (Es wurde umbenannt in 39 Grenzen der klassischen Physik, da das Dualismusproblem erst noch später beschrieben werden soll.) Dabei soll es um eine Vorstellung von klassischer Physik vs. Quantenphysik (halbklassisch) gehen. Eine einigermaßen anschauliche Einordnung der Modellvorstellung der Quantenphysik soll dabei versucht werden. Welle und Teilchen sind klassisch unvereinbare Modelle: Autos interferieren nicht. Trotzdem kann eine Vereinbarung gelingen, wenn man sich darauf einlässt. 28.09.2022 Korrektur einiger Feinheiten im Layout. 22.09.2022 Abschnitt 36 Elektrische Leitungsvorgänge in Gasen bearbeitet. Nach den Massenspektrographen soll Isotopie als Einstieg in die Atom- und Quantenphysik betrachtet werden.  Abschnitt 37 Grundlagen der Atomistik ist zunächst ein Arbeitstitel. Ferner habe ich den Abschnitt zum Millikan-Versuch bearbeitet. Man findet ihn im Anhang E Protokoll zum Millikan-Versuch.