Physik Grundlagen: Materie, Energie, Bewegung, Wellen

Grundlagen der Physik: Materie und Energie

Das Universum besteht aus Materie und Energie. Um zu existieren und zu leben, benötigen wir Materie (als Nahrung und Bausteine) und Energie (um Informationen zu verarbeiten und uns zu bewegen).

• Materie: Alles, was Raum einnimmt, eine Ausdehnung besitzt und Trägheit aufweist.
• Energie: Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
• Universum: Eine Ansammlung von Materie und Energie in ständiger Veränderung und Evolution.

Allgemeine Eigenschaften der Materie

• Interaktion: Zeigt die Existenz von Kräften zwischen zwei Entitäten an und führt zu Veränderungen.
• Ausdehnung: Das Volumen eines Körpers, gemessen in Kubikmetern.
• Trägheit: Ein Maß für die Masse eines Körpers, gemessen in Kilogramm.
• Korpuskulare Struktur: Bezeichnet die Menge der Substanz eines Körpers, gemessen in Mol.

Wir benötigen ständig Materie und Energie, um unsere Vitalfunktionen aufrechtzuerhalten und Materie in Energie umzuwandeln (z.B. in Maschinen oder im Körper).

Veränderungen in der Materie

Eine Veränderung ist jedes beobachtbare und messbare Ereignis. Ursachen für Veränderungen sind:

• Gravitationswechselwirkungen (aufgrund der Masse)
• Elektromagnetische Wechselwirkungen (elektrische Ladung der Atome)
• Nukleare Wechselwirkungen (Veränderungen in chemischen Elementen)

Jede Veränderung ist mit einer Energieübertragung verbunden.

Arten von Veränderungen

• Physikalische Veränderungen: Es findet keine Veränderung der Natur oder Umwandlung der Substanzen statt.
• Chemische Veränderungen: Es gibt Veränderungen in der Substanz selbst.
• Nukleare Veränderungen: Der Austausch oder die Umwandlung chemischer Elemente.

Physikalische Veränderungen und Bewegung

Arten physikalischer Veränderungen

• Thermische Veränderungen: Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich kontinuierlich bewegen (Änderung des Aggregatzustands).
• Elektrische Veränderungen: Treten auf, wenn bestimmte Materialien aneinander gerieben werden.
• Optische und Akustische Veränderungen: Energie wird ohne Materietransport übertragen.
• Bewegungsveränderungen: Wechselwirkungen, die den Zustand der Ruhe oder Bewegung eines Körpers ändern.

Grundlagen der Bewegung

Nichts ist absolut in Ruhe; alles hängt vom gewählten Referenzsystem ab (man wählt einen beliebigen Punkt und nimmt an, dass er in Ruhe ist), um zu sehen, wie sich die Position eines Objekts ändert. Bewegung ist also relativ; es gibt kein „besseres“ Referenzsystem als ein anderes.

• Bewegung: Die Positionsänderung eines Objekts relativ zu einem als fest angenommenen Referenzsystem.
• Weg: Die Verbindungslinie zwischen allen aufeinanderfolgenden Positionen eines sich bewegenden Objekts.
• Position: Die Lage X relativ zum Referenzsystem.

Gleichförmige lineare Bewegung

• Zurückgelegte Entfernung (e) (m): Die Länge des Weges, den X von der ersten Position (X_o) bis zur Endposition (X_f) zurücklegt.
• Zeit (t) (s): Die Zeit, die X benötigt, um den Weg zurückzulegen.
• Geschwindigkeit (v) (m/s): Die Distanz, die X pro Zeiteinheit zurücklegt.

Wegstrecke:

Formeln:

? Dies ist die allgemeine Gleichung der gleichförmigen geradlinigen Bewegung (MRU), die die Endposition des Objekts angibt.

Kräfte und ihre Eigenschaften

• Kraft (Newton, N): Ursache, die den Bewegungszustand oder die Form eines Körpers ändert.
• Trägheit: Eigenschaft der Materie, durch die sie dazu neigt, ihren aktuellen Bewegungszustand (Ruhe oder gleichförmige Bewegung) beizubehalten.
• Gewicht: Die Kraft, mit der Körper und die Erde einander anziehen.
• Reibung: Eine Kraft, die zwischen sich bewegenden Körpern und den Oberflächen, auf denen sie sich bewegen, auftritt. Es ist eine elektromagnetische Kraft.

Unterschied zwischen Masse und Gewicht

• Gewicht: Wird in Newton (N) im SI-System gemessen und wäre auf anderen Planeten anders.
• Masse: Ein Maß für unsere Trägheit, wird in Kilogramm (kg) gemessen und ist unabhängig von der Schwerkraft.

Thermische und Chemische Veränderungen

Thermische Veränderungen der Materie

Materie besteht aus Teilchen, die durch ein Vakuum getrennt sind. Einfachere Atome bilden Moleküle und Kristalle. Moleküle können sich zu Flüssigkeiten und Feststoffen verbinden oder getrennt bleiben und Gase bilden.

• Intermolekulare Kräfte: Moleküle ziehen sich gegenseitig mit Bindungskräften an und neigen dazu, kondensierte Zustände zu bilden.
• Thermische Bewegung: Schwingungen der Teilchen. Bei 0 Kelvin (-273 °C) sind die Teilchen in Ruhe.

Chemische Veränderungen

Dies sind Veränderungen, bei denen Atome Moleküle oder Kristalle bilden. Dabei werden große Energiemengen ausgetauscht.

• Molekulare Stoffe: Bestehen aus Teilchen, die keine festen Atome bilden.
• Kristalline Substanzen: Bestehen aus Atomen, die in geometrischen Strukturen angeordnet sind.

Elemente und Verbindungen

• Elemente: Stoffe, die aus Atomen derselben Art bestehen. Dazu gehören:
  • Isolierte Atome: Weit voneinander entfernt.
  • Moleküle: Zwei oder drei gleiche Atome.
  • Kristalle: Strukturen mit vielen gleichen Atomen.
• Verbindungen: Stoffe, die aus Atomen verschiedener Arten bestehen. Dazu gehören:
  • Molekulare Verbindungen
  • Kristalline Verbindungen
  • Chemische Verbindungen:
    • Organische (immer Kohlenstoffatome enthaltend)
    • Anorganische (Mineralien, Gesteine, einige Gase, Wasser)

Energie und Wärmeübertragung

Veränderungen sind immer von Energieveränderungen begleitet. Sie treten auf zwei Wegen auf:

• Durch Wärme: Tritt zwischen zwei Systemen im thermischen Ungleichgewicht auf, wobei Energie vom höheren zum niedrigeren Temperaturbereich fließt.
• Durch Arbeit: Wenn Kräfte eine Bewegung verursachen.

Dies sind Formen der Energieübertragung.

Arten von Energie

Energie: Die Fähigkeit von Systemen, Materie zu verändern oder Arbeit zu verrichten.

• Mechanische Energie: Aufgrund der Position (potenzielle Energie) oder Bewegung (kinetische Energie) von Objekten.

  • Kinetische Energie (E_k):
  • Potenzielle Energie (E_p):
• Innere/Thermische Energie: Energie, die in einem System gespeichert ist und mit der Bewegung seiner Teilchen zusammenhängt.

Energie wird in Joule gemessen.

Wärme und Wärmeübertragung

Wärme: Energie im Übergang zwischen zwei Systemen unterschiedlicher Temperatur. Wärme wird übertragen durch:

• Wärmeleitung: Übertragung von Energie ohne Materietransport.
• Konvektion: Bewegung von Fluiden, bei der erwärmte Teile aufsteigen, abkühlen und absinken.
• Strahlung: Körper senden und empfangen Energie in Form von elektromagnetischen Wellen (z.B. unsere Haut empfängt Wärme von der Sonne).

Temperaturskalen

• Kelvin:
• Celsius:
• Fahrenheit

Die Molekularbewegung wird in Kelvin gemessen und bestimmt die Temperatur.

Schall und Licht

Schall

Schall wird durch die Schwingung von Körpern erzeugt, die Schallwellen aussenden und Energie übertragen. Schall ist die Ausbreitung von Schwingungen von Körpern durch ein materielles Medium.

Eigenschaften von Schallwellen

• Wellenlänge (λ): Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen.
• Amplitude (A): Maximale Auslenkung der Welle von ihrer Ruhelage.
• Frequenz (f): Anzahl der Schwingungen pro Sekunde.
• Periodendauer (T): Die Dauer einer vollständigen Schwingung.
• Hertz (Hz): Die Einheit zur Messung der Frequenz.

Qualitäten des Schalls

• Schallintensität: Hängt von der Energie ab, mit der die vibrierende Quelle den Schall erzeugt (schwach oder stark).
• Tonhöhe oder Frequenz: Die Tonhöhe wird durch ihre Frequenz bestimmt (hoch oder tief).
• Klangfarbe: Qualität, die es uns ermöglicht, zwei Töne gleicher Intensität und Tonhöhe, aber aus verschiedenen Quellen zu unterscheiden.
• Dauer: Die Zeit, über die eine Welle andauert.

Licht

Licht breitet sich geradlinig in alle Richtungen aus.

Eigenschaften des Lichts

• Reflexion: Wenn Licht auf eine polierte Oberfläche trifft und Bilder bildet.
• Streuung (Diffusion): Wenn Licht auf eine unregelmäßige Oberfläche trifft und in alle Richtungen gestreut wird.
• Brechung: Änderung der Richtung eines Lichtstrahls, wenn er von einem Medium in ein anderes übergeht, wo er sich langsamer ausbreitet.
• Farbe: Die Art und Weise, wie unser Gehirn Licht unterschiedlicher Frequenzen interpretiert; Farben sind eine Schöpfung des Gehirns. Ein Objekt absorbiert Licht bestimmter Frequenzen und reflektiert andere, die unser Gehirn als eine bestimmte Farbe interpretiert.
• Dispersion: Wenn Licht durch ein transparentes Medium geht und in seine einzelnen Wellenlängen (Farben) zerlegt wird, da diese unterschiedlich gebrochen werden.