naturwissenschaftlicher vorkurs ws 2006/07 physik unterrichtseinheit ph iv:
TRANSCRIPT
![Page 1: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/1.jpg)
Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK
Unterrichtseinheit Ph IV:
![Page 2: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/2.jpg)
Themen
1. Wechselstrom
2. Schwingungen und Wellen
![Page 3: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/3.jpg)
Teil 1:Wechselstrom - Grundlagen
![Page 4: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/4.jpg)
Wechselstrom, Schwingungsformen
Definition:Elektrischer Strom, dessen Richtung und Stärke sich in schneller Folge (oft periodisch) ändern
Einzelne, schnelle Änderung von Spannung oder Stromstärke: Impuls
![Page 5: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/5.jpg)
Wechselstrom, DefinitionenSchwingungsform • Sinus
• Rechteck• Sägezahn ...
Periodendauer T Zeit, nach der I und U wieder den gleichen Wert haben
Frequenz 1 / Periodendauer
Amplitude sm Höchstwert von U / I
![Page 6: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/6.jpg)
Wechselstrom, Effektiv- und Maximalwert
Effektivwert einer Wechselspannung:ergibt die gleiche Durchschnittsleistung wieeine entsprechende Gleichspannung.
maxmax , UUUeff 70702
Angabe "230 V" ist Angabe des Effektivwerts,Spannung schwankt zwischen + / - 325 V
Für sinusförmigen Wechselstrom gilt:
![Page 7: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/7.jpg)
Widerstand im Wechselstromkreis
Gleiches Verhalten wie beim Gleichstrom
![Page 8: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/8.jpg)
Kondensator im Wechselstromkreis
Bei jeder Halbwelle wird der Kondensator auf- und entladen.Dies täuscht einen Stromfluss durch den Kondensator vor.
Wechselstrom kann einen Kondensator passieren.
![Page 9: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/9.jpg)
Kondensator, Wechselstromwiderstand
CIU
IU
Reff
effC
1
max
max
Der Wechselstromwiderstand des Kondensators hängt von der Frequenz des Wechselstroms ab:
verdoppelt man die Frequenz, so verdoppelt sich bei gleichgehaltener Spannung der „durch den Kondensator fließende Strom“ (die Kondensator-platten werden doppelt so oft ge- und entladen). Mathematisch lässt sich zeigen:
![Page 10: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/10.jpg)
Kondensator, Einsatz bei Messungen
Bsp.: EKG-Verstärker
Der Kondensator verhindert die Übertragung des Gleichstromanteils,nur ein Wechselspannungssignal wird übertragen.
![Page 11: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/11.jpg)
Wechselspannungen im Organismus:Elektromyogramm
Messung der Potenziale von zwei antagonistisch arbeitenden Muskeln (Beuger und Strecker des Oberarms)
![Page 12: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/12.jpg)
Messung von Wechselstrom
Messgeräte (Volt- und Amperemeter)
Oszilloskope
"klassische" Messgeräte messen den momentanen Effektivwert,"moderne" (elektronische) können auch den momentanen Spitzenwert bestimmen
Zeigen zusätzlich zum Spitzenwert auch den zeitlichen Verlauf des Wechselstroms an
![Page 13: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/13.jpg)
Oszilloskop – Funktion 1
Erzeugung und Fokussierung des Elektronenstrahls
Ablenkung in y-Richtung
Ablenkung in x-Richtung
Leuchtschirm
Hauptelement: Braunsche Röhre
![Page 14: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/14.jpg)
Oszilloskop – Funktion 2
Durch Anlegung einer "Sägezahnspannung" an die Kondensatorplatten für die horizontale Ablenkung kann der zeitliche Verlauf einer Spannung registriert werden.
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/stromwirk/braun_roehre.htm
![Page 15: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/15.jpg)
Oszilloskop - Lernprogramm
![Page 16: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/16.jpg)
Spulen
H = Ierr n / l
Bei Stromfluss baut sich in einer Spule ein Magnetfeld auf.Nord- und Südpol finden sich an den Spulenenden, die Feldlinien laufen durch die Spule.
Die Feldstärke des magnetischen Feldes beträgt
![Page 17: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/17.jpg)
Magnetische Induktion
Magnetische Feldstärke H beschreibt die Entstehung des Feldes aus Strömen.
Magnetische Induktion B beschreibt die Wirkung des Feldes auf bewegte Ladungen
B = Feldkonstante Permeabilität H
![Page 18: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/18.jpg)
Transformator
Die Primärspannung (U1) verhält sich zur Sekundärspannung (U2) wie die Windungszahl der Primärspule (n1) zur Windungszahl der Sekun-därspule (n2).
U1 : U2 = n1 : n2
I1 : I2 = n2 : n1
I1 : I2 = U2 : U1
2 Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern
Primärspulen1
Sekundärspulen2
![Page 19: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/19.jpg)
Umwandlung Wechsel- in Gleichstrom
Einsatz einer Diode als Gleichrichter
Pulsierender Gleichstrom,Geglättet durch Kondensator
![Page 20: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/20.jpg)
Änderung von Gleichspannungen
Potentiometerschaltung
21
2
212
21
RRRUU
RRURU
RRUI
EA
EA
E
Verringern:
Erhöhen:Komplizierte elektronische Schaltungen
![Page 21: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/21.jpg)
Transport von 230 kW elektrischer Energie
230 V
RL = 1/10
UL = I RL = 100 V
I = 1000 A
W = 100 V 1000 A = 100 kW = 45%
230 000 V
RL = 1/10
UL = I RL = 1/10 V
I = 1 A
W = 0,1 V 1 A = 0,1 W = 4 10-5 %
130 V
230 V
![Page 22: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/22.jpg)
Teil 2:Schwingungen und Wellen
![Page 23: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/23.jpg)
Schwingungen, Definition
Mechanische Schwingungen kommen durch die Einwirkung einer Rückstellkraft auf einen Körper mit träger Masse zustande.
Bewegung, die sich mit Hin- und Rückgang periodisch wiederholt.
![Page 24: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/24.jpg)
Schwingungen, Grundgrößen
Schwingungs-dauer
T Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden, gleichsinnigen Durchgängen des Körpers durch einen Bahnpunkt
Frequenz Schwingungen pro Sekunde
Auslenkung s Sich ständig ändernde Entfernung des Körpers von der stabilen Gleichgewichtslage
Amplitude smGrößte Auslenkung
Rückstellkraft FRKraft, die auf den ausgelenkten Körper in Richtung auf die Gleichgewichtslage wirkt
![Page 25: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/25.jpg)
Schwingungen, bei denen die Rückstellkraft FR proportional zur jeweiligen Auslenkung s ist
FR = - D s
tTsss mmt
2sinsin
Auslenkung zum Zeitpunkt t = Maximalauslenkung sin (Phasenwinkel)
Harmonische Schwingungen
![Page 26: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/26.jpg)
• Trommelfellschwingungen• Schwingungen der Basilarmembran im Ohr• 24 (25)-Stunden Rhythmus des Menschen• Atmung• Peristaltik• Herzschlag• Anwendung von Ultraschallschwingungen in Diagnostik und Therapie
Beispiele für Schwingungenin der Medizin
![Page 27: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/27.jpg)
Resonanz
Resonanz: Mitschwingen eines schwingungsfähigen Systems, wenn es durch eine Anregungsfrequenz in der Nähe seiner Eigenfrequenz f0 angeregt wird.
Die Resonanzkurve eines solchen Systems gibt seine Schwingungs-amplitude in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz an.
Bei einem ungedämpften, schwingfähigen System kann die Resonanz zum grenzenlosen Anstieg der Amplitude (Resonanzkatastrophe) führen.
![Page 28: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/28.jpg)
Resonanz - Beispiele
Mechanik: • "Aufschaukeln" der Schwingung einer Hängebrücke in böigem Wind.• Starke Vibrationen von Fahrzeugkarosserien bei bestimmten Motordrehzahlen
Hydromechanik: • Wellenresonanz
Akustik: • Mitschwingen einer (Gitarren)saite, wenn ein gleichgestimmtes Instrument ertönt.
Elektrotechnik:• Schwingkreis
Kernphysik: • Kernspinresonanz
![Page 29: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/29.jpg)
Gedämpfte Schwingung
Durch Energieverluste (Reibung, Widerstand) nimmt die Schwingungs-amplitude ständig ab.
Durch Energiezufuhr im richtigen Moment kann die gedämpfte in eine ungedämpfte Schwingung umgewandelt wurden.
![Page 30: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/30.jpg)
Wirkung von Resonanzschwingungen
Schwingungen mit der Eigenschwingung des schwingungsfähigen Systems führen zur Resonanzkatastrophe
![Page 31: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/31.jpg)
Wellen, Definition
Schwingungen betreffen einzelne Massepunkte. Sind Massepunkte durch elastische Kräfte miteinander verbunden und wird einer dieser Massepunkte ausgelenkt, breitet sich die Störung durch den aus den Massepunkten gebildeten Körper aus – es entsteht eine Welle.
![Page 32: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/32.jpg)
Beispiele für Wellen in der Medizin
• Schallwellenübertragung im Ohr (durch Ohrknöchelchen und Trommelfell)• Stehende Wellen im Hörapparat• Blutdruckwellen • Übertragung der Lichtwellen im Auge (durch den Glaskörper)
![Page 33: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/33.jpg)
Wellen, Lernprogramm
Einführung1. Transversal - Longitudinal2. Ausbreitung3. Geschwindigkeit4. Wellenlänge und Periode5. Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge6. Doppler-Effekt7. Reflexion am festen und freien Ende8. Reflexion und Transmission9. Geometrische Optik10. Superposition11. Stehende Wellen12. Interferenz von Kreiswellen13. Beugung am Spalt
![Page 34: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/34.jpg)
Schwingkreis
Eine Kombination aus Kondensator und Spule erzeugt (gedämpfte) elektrische Schwingungen, indem sich der Kondensator periodisch über die Spule auf- und entlädt.
Das sich in der Spule aufbauende Magnetfeld induziert den Strom, der zur erneuten Kondensatorladung führt.
Es entsteht eine Kombination aus elektrischem und magnetischem Feld.
![Page 35: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/35.jpg)
Kernspintomografie
Medizinisches Diagnoseverfahren, das die Magnetfelder der Atomkerne nutzt: in einem sehr starken Magnetfeld werden diese ausgerichtet und durch Einstrahlung von Radiowellen umge-dreht.
![Page 36: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/36.jpg)
Supraleitende Magnete
Magnetspulen im Kernspintomografen sind vom Helmholtz-Typ und Supraleitend.
![Page 37: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/37.jpg)
Tomografie 1
x1 + x2 + x3 = 18
x4 + x5 + 6 = 14
x7 + x8 + x9 = 18
Ein Würfel aus 9 Elementen wird durchstrahlt, das Signal von 3 Detektoren getrennt registriert.
In jedem Würfelelement nimmt die Strahlung um x% ab.
3 Gleichungen für 9 Unbekannte
![Page 38: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/38.jpg)
Tomografie 2
x2 + x3 +x4 = 17
x5 + x6 +x7 = 15
x8 + x9 = 12
Drehung um x°
![Page 39: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/39.jpg)
Tomografie 3
x2 + x4 = 12
x3 + x5 + x7 = 13
x6 + x8 = 14
Erneute Drehung um x°
![Page 40: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/40.jpg)
Tomografie 4
x2 + x4 = 12
x3 + x5 + x7 = 13
x6 + x8 = 14
x2 + x3 +x4 = 17
x5 + x6 +x7 = 15
x8 + x9 = 12
x1 + x2 + x3 = 18
x4 + x5 + 6 = 14
x7 + x8 + x9 = 18
9 Gleichungen für 9 Unbekannte = eindeutig lösbar!
![Page 41: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/41.jpg)
http://www.ottmarlabonde.de/L1/Tomo/TomoTest.html
![Page 42: Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 PHYSIK Unterrichtseinheit Ph IV:](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062411/570491c51a28ab14218da7af/html5/thumbnails/42.jpg)
Kernspintomografie, Internet-Ressourcen
Ausführliches e-Buch zur Kernspintomografie
Lernprogramm zum Tomografieprinzip