Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
ABITURSKRIPT PHYSIK LK
Hessen 2023
Inhaltsverzeichnis
Elektrisches Feld (Q1.1) ........................................................................................................................... 3
Elektrische Ladung............................................................................................................................... 3
Elektrostatik......................................................................................................................................... 4
Elektrische Stromstärke....................................................................................................................... 4
Elektrisches Feld .................................................................................................................................. 5
Elektrische Spannung und elektrisches Potenzial ............................................................................... 7
Coulomb’sches Gesetz......................................................................................................................... 8
Elektrische Feldstärke.......................................................................................................................... 8
Kondensator ........................................................................................................................................ 9
Bewegung geladener Teilchen parallel zum elektrischen Feld ......................................................... 12
Differenzialgleichungen ..................................................................................................................... 13
Proportionalität ................................................................................................................................. 13
Quantelung der Ladung (Millikanversuch) ........................................................................................ 15
Magnetisches Feld (Q1.2) ...................................................................................................................... 16
Magnetismus ..................................................................................................................................... 16
Magnetisches Feld ............................................................................................................................. 16
Lorentzkraft ....................................................................................................................................... 18
Überlagerung homogener elektrischer und magnetischer Felder .................................................... 20
Induktion (Q1.3) .................................................................................................................................... 22
Erzeugung von Induktionsspannung ................................................................................................. 22
Erklärung ........................................................................................................................................... 23
Lenz’sche Regel ................................................................................................................................. 24
Selbstinduktion .................................................................................................................................. 25
Energie des Magnetfelds ................................................................................................................... 25
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,Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
Schwingungen (Q2.1) ............................................................................................................................ 26
Kenngrößen ....................................................................................................................................... 26
Energie ............................................................................................................................................... 27
Hooke‘sches Gesetz........................................................................................................................... 27
Harmonische und unharmonische Schwingungen ............................................................................ 28
Herleitung Schwingungsgleichung (harmonisch, ungedämpft) ........................................................ 30
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – Federpendel (allgemein) ............................................. 31
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – Fadenpendel ................................................................ 32
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – U-Rohr ......................................................................... 32
Elektromagnetischer Schwingkreis ................................................................................................... 33
Phasenverschiebung.......................................................................................................................... 35
Dämpfung .......................................................................................................................................... 35
Resonanz ........................................................................................................................................... 36
Wellen (Q2.2) ........................................................................................................................................ 37
Kenngrößen ....................................................................................................................................... 37
Elektromagnetische Strahlung .......................................................................................................... 38
Longitudinal- und Transversalwellen ................................................................................................ 39
Reflexion von Wellen (vereinfacht) ................................................................................................... 39
Überlagerung von Wellen ................................................................................................................. 39
Interferenz ......................................................................................................................................... 40
Stehende Wellen ............................................................................................................................... 43
Eigenschaften von Quantenobjekten (Q3.1) ......................................................................................... 44
Fotoeffekt .......................................................................................................................................... 44
Energie-Masse-Äquivalenz ................................................................................................................ 50
De-Broglie-Wellen ............................................................................................................................. 51
Doppelspaltversuche mit Elektronen und Photonen ........................................................................ 53
Unschärferelation .............................................................................................................................. 54
Aufenthaltswahrscheinlichkeit .......................................................................................................... 55
Zusammenfassung Quantenphysik ................................................................................................... 55
Atommodelle (Q3.2) .............................................................................................................................. 56
Entwicklung der Atomvorstellung ..................................................................................................... 56
Das Bohr’sche Atommodell – Quantisierung .................................................................................... 57
Funktionsweise Laser ........................................................................................................................ 60
Linearer Potenzialtopf ....................................................................................................................... 61
Spektrallinien..................................................................................................................................... 63
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,Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
Elektrisches Feld (Q1.1)
Elektrische Ladung
Ladungsträger
Es gibt positive und negative Ladungen. Protonen (p⁺) sind Ladungsträger von positiver Ladung und
Elektronen (e⁻) von negativer Ladung. Trotz stark unterschiedlicher Masse besitzen Protonen und
Elektronen exakt die gleiche Ladung, nur mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Die elektrische Ladung eines Elektrons beträgt somit −𝑒 und die eines Protons +𝑒. 𝑒 meint die
Elementarladung. Sie beträgt zirka 1,602 · 10−19 𝐶.
Elektrische Ladung 𝑄
Die elektrische Ladung beschreibt die Ladungsmenge eines Teilchens Formelzeichen 𝑄
oder Körpers und kann als Vielfaches von der Elementarladung 𝐶
Einheit (SI)
angegeben werden. So gilt: (Coulomb)
𝑄 =𝑛⋅𝑒
Geladene Körper
• Körper mit Elektronenüberschuss → nach außen negativ geladen
• Körper mit Elektronenmangel → nach außen positiv geladen
• Körper mit gleicher Anzahl von Elektronen und Protonen → nach außen nicht geladen
(neutral)
Leiter und Nichtleiter
Leiter: Als Leiter wird ein Körper bezeichnet, der elektrisch leitfähig ist. Dieser besteht meistens aus
Metall. Die Metallbindung lässt zu, dass sich Elektronen innerhalb des Körpers nahezu frei bewegen
können, während die Atomkerne mit den Protonen fest im Metallgitter verankert sind.
Nichtleiter/Isolator: Als Isolator wird ein Körper bezeichnet, der nicht elektrisch leitfähig ist. In ihm
können sich Elektronen (fast) nicht frei bewegen, sondern sind fest in chemischen Bindungen
verankert.
Nachweis elektrischer Ladung
Berührt man einen geladenen Körper mit einer Glimmlampe, leuchtet eine ihrer zwei Elektroden kurz
auf. So kann elektrische Ladung nachgewiesen werden. Auch ob es sich um eine positive oder
negative Ladung handelt, kann bestimmt werden. Ein Körper ist negativ geladen, wenn die zum
Körper zugewandte Seite leuchtet und positiv geladen, wenn die entgegengesetzte Seite leuchtet.
Ladung als Erhaltungsgröße
Die Ladung ist eine sogenannte physikalische Erhaltungsgröße. Dies bedeutet, dass Ladung in einem
abgeschlossenen physikalischen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann →
Ladungserhaltung.
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, Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
Elektrostatik
Als Elektrostatik werden die Kräfte bezeichnet, die elektrisch geladene Körper
aufeinander ausüben. Gleichartig geladene Körper stoßen sich ab und ungleich geladene
ziehen sich an.
Um elektrostatische Kräfte sichtbar zu machen, gibt es das sogenannte
Elektroskop. Es besteht vollständig aus Metall, ist also elektrisch
leitend. In der Mitte ist ein Zeiger angebracht, der sich frei bewegen
kann. Wichtig ist, dass das Elektroskop nicht, beziehungsweise nur
durch einen Isolator, mit der Erde verbunden ist.
Ladungsübertragung
Berührt ein elektrisch geladener Körper einen anderen, so überträgt
sich die Ladung auf ihn, sie verteilt sich gleichmäßig auf beide Körper.
Die vielen überschüssigen Elektronen verteilen sich von dem Stab auf
das gesamte Elektroskop, es ist also vollständig negativ geladen. Durch
die gleiche Ladung des Zeigers und des Hauptteils des Elektroskops
schlägt der Zeiger aus.
Influenz bei Leitern
Unter Einfluss eines geladenen Körpers können innerhalb eines Leiters
Elektronen gegenüber den Gitterionen verschoben werden, selbst
wenn die Körper einander nicht berühren. Im Leiter entstehen dabei
Zonen mit entgegengesetzter Aufladung.
Durch Nahekommen mit dem negativ geladenen Stab verschieben sich
die Ladungen innerhalb des Elektroskops. Im oberen Teil bildet sich
eine positiv geladene Zone aus während im unteren Teil, in dem sich
der Zeiger befindet, also eine negativ geladene Zone. So hat auch hier
der Zeiger wieder die gleiche Ladung wie der Hauptteil und schlägt aus.
Polarisation bei Nichtleitern
Auch nichtleitende Materialien können durch einen geladenen Körper in ihrer Nachbarschaft
beeinflusst werden. In einem Körper mit Dipolmolekülen richten sich die Dipole aus.
Elektrische Stromstärke
Elektrische Stromstärke 𝐼
Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung in einer bestimmten Zeit mit den Ladungsträgern
durch den Querschnitt eines Leiters transportiert wird. So gilt:
Δ𝑄
𝐼= → 𝐼(𝑡) = 𝑄̇ (𝑡)
Δ𝑡
Die Stromstärke kann auch als mathematische Ableitung der Ladung nach der Zeit definiert werden.
Beim Umstellen der oberen Formel kommt man auf 𝑄 = 𝐼 ⋅ 𝑡. So ergibt sich, dass 1 𝐶 (Coulomb)
dasselbe ist wie 1 𝐴𝑠 (Amperesekunde).
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ABITURSKRIPT PHYSIK LK
Hessen 2023
Inhaltsverzeichnis
Elektrisches Feld (Q1.1) ........................................................................................................................... 3
Elektrische Ladung............................................................................................................................... 3
Elektrostatik......................................................................................................................................... 4
Elektrische Stromstärke....................................................................................................................... 4
Elektrisches Feld .................................................................................................................................. 5
Elektrische Spannung und elektrisches Potenzial ............................................................................... 7
Coulomb’sches Gesetz......................................................................................................................... 8
Elektrische Feldstärke.......................................................................................................................... 8
Kondensator ........................................................................................................................................ 9
Bewegung geladener Teilchen parallel zum elektrischen Feld ......................................................... 12
Differenzialgleichungen ..................................................................................................................... 13
Proportionalität ................................................................................................................................. 13
Quantelung der Ladung (Millikanversuch) ........................................................................................ 15
Magnetisches Feld (Q1.2) ...................................................................................................................... 16
Magnetismus ..................................................................................................................................... 16
Magnetisches Feld ............................................................................................................................. 16
Lorentzkraft ....................................................................................................................................... 18
Überlagerung homogener elektrischer und magnetischer Felder .................................................... 20
Induktion (Q1.3) .................................................................................................................................... 22
Erzeugung von Induktionsspannung ................................................................................................. 22
Erklärung ........................................................................................................................................... 23
Lenz’sche Regel ................................................................................................................................. 24
Selbstinduktion .................................................................................................................................. 25
Energie des Magnetfelds ................................................................................................................... 25
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Schwingungen (Q2.1) ............................................................................................................................ 26
Kenngrößen ....................................................................................................................................... 26
Energie ............................................................................................................................................... 27
Hooke‘sches Gesetz........................................................................................................................... 27
Harmonische und unharmonische Schwingungen ............................................................................ 28
Herleitung Schwingungsgleichung (harmonisch, ungedämpft) ........................................................ 30
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – Federpendel (allgemein) ............................................. 31
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – Fadenpendel ................................................................ 32
Herleitung Formel für Schwingungsdauer – U-Rohr ......................................................................... 32
Elektromagnetischer Schwingkreis ................................................................................................... 33
Phasenverschiebung.......................................................................................................................... 35
Dämpfung .......................................................................................................................................... 35
Resonanz ........................................................................................................................................... 36
Wellen (Q2.2) ........................................................................................................................................ 37
Kenngrößen ....................................................................................................................................... 37
Elektromagnetische Strahlung .......................................................................................................... 38
Longitudinal- und Transversalwellen ................................................................................................ 39
Reflexion von Wellen (vereinfacht) ................................................................................................... 39
Überlagerung von Wellen ................................................................................................................. 39
Interferenz ......................................................................................................................................... 40
Stehende Wellen ............................................................................................................................... 43
Eigenschaften von Quantenobjekten (Q3.1) ......................................................................................... 44
Fotoeffekt .......................................................................................................................................... 44
Energie-Masse-Äquivalenz ................................................................................................................ 50
De-Broglie-Wellen ............................................................................................................................. 51
Doppelspaltversuche mit Elektronen und Photonen ........................................................................ 53
Unschärferelation .............................................................................................................................. 54
Aufenthaltswahrscheinlichkeit .......................................................................................................... 55
Zusammenfassung Quantenphysik ................................................................................................... 55
Atommodelle (Q3.2) .............................................................................................................................. 56
Entwicklung der Atomvorstellung ..................................................................................................... 56
Das Bohr’sche Atommodell – Quantisierung .................................................................................... 57
Funktionsweise Laser ........................................................................................................................ 60
Linearer Potenzialtopf ....................................................................................................................... 61
Spektrallinien..................................................................................................................................... 63
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,Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
Elektrisches Feld (Q1.1)
Elektrische Ladung
Ladungsträger
Es gibt positive und negative Ladungen. Protonen (p⁺) sind Ladungsträger von positiver Ladung und
Elektronen (e⁻) von negativer Ladung. Trotz stark unterschiedlicher Masse besitzen Protonen und
Elektronen exakt die gleiche Ladung, nur mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Die elektrische Ladung eines Elektrons beträgt somit −𝑒 und die eines Protons +𝑒. 𝑒 meint die
Elementarladung. Sie beträgt zirka 1,602 · 10−19 𝐶.
Elektrische Ladung 𝑄
Die elektrische Ladung beschreibt die Ladungsmenge eines Teilchens Formelzeichen 𝑄
oder Körpers und kann als Vielfaches von der Elementarladung 𝐶
Einheit (SI)
angegeben werden. So gilt: (Coulomb)
𝑄 =𝑛⋅𝑒
Geladene Körper
• Körper mit Elektronenüberschuss → nach außen negativ geladen
• Körper mit Elektronenmangel → nach außen positiv geladen
• Körper mit gleicher Anzahl von Elektronen und Protonen → nach außen nicht geladen
(neutral)
Leiter und Nichtleiter
Leiter: Als Leiter wird ein Körper bezeichnet, der elektrisch leitfähig ist. Dieser besteht meistens aus
Metall. Die Metallbindung lässt zu, dass sich Elektronen innerhalb des Körpers nahezu frei bewegen
können, während die Atomkerne mit den Protonen fest im Metallgitter verankert sind.
Nichtleiter/Isolator: Als Isolator wird ein Körper bezeichnet, der nicht elektrisch leitfähig ist. In ihm
können sich Elektronen (fast) nicht frei bewegen, sondern sind fest in chemischen Bindungen
verankert.
Nachweis elektrischer Ladung
Berührt man einen geladenen Körper mit einer Glimmlampe, leuchtet eine ihrer zwei Elektroden kurz
auf. So kann elektrische Ladung nachgewiesen werden. Auch ob es sich um eine positive oder
negative Ladung handelt, kann bestimmt werden. Ein Körper ist negativ geladen, wenn die zum
Körper zugewandte Seite leuchtet und positiv geladen, wenn die entgegengesetzte Seite leuchtet.
Ladung als Erhaltungsgröße
Die Ladung ist eine sogenannte physikalische Erhaltungsgröße. Dies bedeutet, dass Ladung in einem
abgeschlossenen physikalischen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann →
Ladungserhaltung.
3
, Konrad Strenge ABITURSKRIPT PHYSIK LK 27.04.2023
Elektrostatik
Als Elektrostatik werden die Kräfte bezeichnet, die elektrisch geladene Körper
aufeinander ausüben. Gleichartig geladene Körper stoßen sich ab und ungleich geladene
ziehen sich an.
Um elektrostatische Kräfte sichtbar zu machen, gibt es das sogenannte
Elektroskop. Es besteht vollständig aus Metall, ist also elektrisch
leitend. In der Mitte ist ein Zeiger angebracht, der sich frei bewegen
kann. Wichtig ist, dass das Elektroskop nicht, beziehungsweise nur
durch einen Isolator, mit der Erde verbunden ist.
Ladungsübertragung
Berührt ein elektrisch geladener Körper einen anderen, so überträgt
sich die Ladung auf ihn, sie verteilt sich gleichmäßig auf beide Körper.
Die vielen überschüssigen Elektronen verteilen sich von dem Stab auf
das gesamte Elektroskop, es ist also vollständig negativ geladen. Durch
die gleiche Ladung des Zeigers und des Hauptteils des Elektroskops
schlägt der Zeiger aus.
Influenz bei Leitern
Unter Einfluss eines geladenen Körpers können innerhalb eines Leiters
Elektronen gegenüber den Gitterionen verschoben werden, selbst
wenn die Körper einander nicht berühren. Im Leiter entstehen dabei
Zonen mit entgegengesetzter Aufladung.
Durch Nahekommen mit dem negativ geladenen Stab verschieben sich
die Ladungen innerhalb des Elektroskops. Im oberen Teil bildet sich
eine positiv geladene Zone aus während im unteren Teil, in dem sich
der Zeiger befindet, also eine negativ geladene Zone. So hat auch hier
der Zeiger wieder die gleiche Ladung wie der Hauptteil und schlägt aus.
Polarisation bei Nichtleitern
Auch nichtleitende Materialien können durch einen geladenen Körper in ihrer Nachbarschaft
beeinflusst werden. In einem Körper mit Dipolmolekülen richten sich die Dipole aus.
Elektrische Stromstärke
Elektrische Stromstärke 𝐼
Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung in einer bestimmten Zeit mit den Ladungsträgern
durch den Querschnitt eines Leiters transportiert wird. So gilt:
Δ𝑄
𝐼= → 𝐼(𝑡) = 𝑄̇ (𝑡)
Δ𝑡
Die Stromstärke kann auch als mathematische Ableitung der Ladung nach der Zeit definiert werden.
Beim Umstellen der oberen Formel kommt man auf 𝑄 = 𝐼 ⋅ 𝑡. So ergibt sich, dass 1 𝐶 (Coulomb)
dasselbe ist wie 1 𝐴𝑠 (Amperesekunde).
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