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Zentrale Größen der Physik sind die Größen Energie, Arbeit und Leistung. Sie spielen auch weit über die Physik hinaus eine Rolle, insbesondere der Begriff Energie und solche damit zusammenhängenden Begriff wie Energieversorgung, Energieerhaltung, Energietransport oder Energieentwertung. Der Test dient der Prüfung grundlegender Kenntnisse über Energie, Arbeit und Leistung.

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Energie, mechanische Arbeit und Leistung".

Viel Spaß beim Beantworten der Fragen!

WISSENSTEST

Mechanische Schwingungen und Wellen können wir an Teichen und Seen beobachten. Erdbebenwellen können zu verheerenden Zerstörungen führen. Ohne Schwingungen und Wellen wären Musikinstrumente undenkbar. Federschwinger und Fadenpendel sind einfache Schwinger, die sich gut mathematisch beschreiben lassen. Trotz der Vielfalt der Schwingungen und Wellen gibt es viel Gemeinsames. Das gilt vor allem für die Beschreibung und die Eigenschaften von mechanischen Schwingungen und Wellen. Im Test können Sie prüfen, wie sicher Ihre Kenntnisse aus diesem Themenbereich sind.

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Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Mechanische Schwingungen und Wellen".

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WISSENSTEST

Kugelstoßen, Diskuswerfen, Speerwerfen, die Bewegungen eines Fußballs oder eines Golfballs beim Abschlag oder der Sprung eines Pferdes über ein Hindernis sind aus physikalischer Sicht Würfe. Es geht bei diesen Sportarten darum, eine möglichst große Weite oder eine möglichst große Höhe zu erzielen. Dabei treten bei den einzelnen Sportarten Besonderheiten auf, die zu Abweichungen von der Theorie der Würfe führen und die beachtet werden müssen, wenn man optimale Leistungen erzielen will.

Schwingungen können in unterschiedlicher Weise dargestellt werden. Eine Möglichkeit besteht in der mathematischen Beschreibung mithilfe der Schwingungsgleichung $y=y_{\max }\cdot \sin (\omega \cdot t+{\phi }_0)$.
Eine zweite Möglichkeit ist die Darstellung in y-t-Diagrammen, die man auch experimentell durch eine der vielfältigen Formen der Schwingungsaufzeichnung gewinnen kann.
Für harmonische Schwingungen gibt es noch eine dritte, recht anschauliche und leicht zu realisierende Möglichkeit, die Zeigerdarstellung. Dabei wird genutzt, dass man eine harmonische Schwingung als Projektion eines gleichförmig rotierenden Zeigers auf eine Achse auffassen kann.

Die Zeit gibt an, wie groß die Dauer zwischen zwei Ereignissen ist.
Formelzeichen: t
Einheit: eine Sekunde (1 s)
Statt von Zeit spricht man manchmal auch von Zeitdauer oder von Zeitintervall. Gemeint ist damit immer die Dauer zwischen zwei Ereignissen, also eine Zeit. Davon zu unterscheiden ist der Zeitpunkt, unter dem ein bestimmter Moment verstanden wird.
Schon im Altertum wurde mithilfe von Sonnenuhren die Zeit gemessen. Viele Jahrhunderte lang wurden Wasser- und Sanduhren als Zeitmesser genutzt. Entscheidende Fortschritte wurden im 16. Und 17. Jahrhundert mit der Konstruktion der ersten mechanischen Uhren (Nürnberger Ei von PETER HENLEIN) und der Nutzung von Pendelschwingungen für Uhren (HUYGENS, HOOKE) erzielt. 1929 wurde die erste Quarzuhr gebaut, 1948 die erste Atomuhr. Bei diesen Uhren tritt in 200.000 Jahren eine Abweichung von weniger als einer Sekunde auf.

Ein zentraler elastischer Stoß zwischen zwei Körpern ist dadurch gekennzeichnet, dass

• nur elastischen Wechselwirkungen auftreten,
• sich die Körper nach dem Stoß mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten weiterbewegen und
• die mechanische Energie erhalten bleibt.

Für einen solchen Stoß gilt der Impulserhaltungssatz und der Energieerhaltungssatz der Mechanik.

Energiebilanz, Energieerhaltungssatz, Energieerhaltungssatz der Mechanik, Impulserhaltungssatz, Reibuntgseffekte, zentraler gerader unelastischer Stoß
Ein zentraler unelastischer Stoß zwischen zwei Körpern ist dadurch gekennzeichnet, dass

• keine elastischen Wechselwirkungen auftreten,
• sich die Körper nach dem Stoß mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit weiterbewegen und
• ein Teil der mechanischen Energie in andere Energieformen umgewandelt wird.

Für einen solchen Stoß gilt der Impulserhaltungssatz und der allgemeine Energieerhaltungssatz, nicht aber der Energieerhaltungssatz der Mechanik.

* 17.09.1857 Ischewskoje
† 19.09.1935 Kaluga

Er war ein russischer Lehrer und Naturforscher, der sich als einer der ersten mit Fragen der Raumfahrt beschäftigte und als „Vater der russischen Raumfahrt“ gilt. ZIOLKOWSKI war der Erste, der 1903 die Raketengrundgleichung zur Bestimmung der Endgeschwindigkeit einer Rakete veröffentlichte und auch Vorstellungen über Satelliten und Weltraumstationen entwickelte, mit denen er seiner Zeit weit voraus war.

Ein Zungenfrequenzmesser ist ein Gerät zur Messung der Frequenz. Dazu werden Metallzungen unterschiedlicher Länge zu Schwingungen angeregt. Stimmt die Erregerfrequenz und mit der Eigenfrequenz einer Metallzunge überein, so schwingt diese besonders stark. Die betreffende Frequenz kann an einer Skala abgelesen werden.

Eine adiabatische Zustandsänderung ist dadurch gekennzeichnet, das bei dem Prozess keine Wärme mit der Umgebung (Q = 0) ausgetauscht wird. Dies kann bei allen schnell ablaufenden thermodynamischen Vorgängen angenommen werden. Charakteristisch für adiabatische Vorgänge ist, dass sich alle drei Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Volumen gleichzeitig ändern. Die Adiabate im p-V-Diagramm verläuft daher steiler als Isothermen und schneidet diese.
Zu unterscheiden ist zwischen einer adiabatischen Expansion und einer adiabatischen Kompression. Die Energiebilanzen ergeben sich aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Für das Modell ideales Gas kann die Adiabate p = p(V) berechnet werden. Es ergeben sich die poissonschen Gesetze.

Zwischen Druck p, Volumen V und absoluter Temperatur T des idealen Gases besteht folgender Zusammenhang:

$\frac{p\cdot V}{T}=\text{konstant oder}\frac{p_1\cdot V_1}{T_1}=\frac{p_2\cdot V_2}{T_2}$

Für ein reales Gas ist die Zustandsgleichung anwendbar, wenn sich dieses näherungsweise wie das ideale Gas verhält. Das ist für fast alle Gase bei Zimmertemperatur der Fall.

Bezieht man die Gaskonstanten und andere Konstanten mit ein, so kann man die allgemeine Zustandsgleichung auch noch in weiteren Formen schreiben.

* 31.08.1663 Paris
† 11.10.1705 Paris

Er war ein französischer Physiker und Techniker und beschäftigte sich u. a. mit Messgeräten (Luftthermometer, Hygrometer), den Eigenschaften von Gasen und optischen Telegrafen. Er vermutete die Existenz einer tiefstmöglichen Temperatur.

Wasser hat eine besondere Eigenschaft, die es von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Es hat bei 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. Sowohl bei Temperaturerhöhung als auch bei Temperaturerniedrigung vergrößert sich das Volumen und damit auch die Dichte von Wasser. Dieses nicht normale thermische Verhalten von Wasser wird in der Physik als Anomalie des Wassers bezeichnet.

Feste, flüssige und gasförmige Stoffe bestehen aus Atomen bzw. Molekülen. Deren Existenz war lange umstritten und konnte erst sicher am Anfang des 20. Jahrhunderts nachgewiesen werden. Die Anzahl von Atomen je Mol beträgt $\mathrm{6,022}\cdot {10}^{23}$ (AVOGADRO-Konstante). Damit sind in einem Gramm eines Stoffes ca. ${10}^{22}$Atome enthalten. Die Masse von Atomen liegt zwischen ${10}^{-27}{\text{kg und 10}}^{\text{-24}}\text{kg}$, der Radius von Atomen in der Größenordnung von ${10}^{-10}\text{m}$und der Kernradius bei ${10}^{15}\text{m}\text{.}$Aus ihm ergibt sich die Dichte der Kernmaterie, die für alle Atomkerne annähernd gleich groß ist und einen Wert von $\mathrm{1,8}\cdot {10}^{17}\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^3}=\mathrm{1,8}\cdot {10}^{14}\frac{\text{g}}{{\text{cm}}^3}$hat. Die Abmessungen von Atomen können in unterschiedlicher Weise bestimmt werden. Im Beitrag sind Möglichkeiten dafür angegeben.

* 20.02.1844 Wien
† 05.09.1906 Duino bei Triest (Italien)

Er war ein österreichischer Physiker, der zu den Begründern der klassischen statistischen Physik zählt. Insbesondere beschäftigte er sich mit der Geschwindigkeits- und Energieverteilung von Molekülen sowie mit der statistischen Deutung physikalischer Zusammenhänge, insbesondere des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Darüber hinaus war er einer der Hauptvertreter der Atomistik. Seinen Namen tragen heute z.B. die sogenannte BOLTZMANN-Konstante k, das Strahlungsgesetz von STEFAN und BOLTZMANN oder die MAXWELL-BOLTZMANN-Verteilung bei Gasmolekülen.

Die BOSE-EINSTEIN-Kondensation, benannt nach dem indischen Physiker SATYENDRA NATH BOSE (1894-1974) und dem deutschen Physiker ALBERT EINSTEIN (1879-1955), ist ein quantenstatistisches Phänomen. Kühlt man z.B. Rubidiumatome auf sehr niedrige Temperaturen ab, dann kommt es zu einem rein quantenmechanischen Phasenübergang, bei dem Wechselwirkungen keine Rolle mehr spielen und alle Atome dieselben physikalischen Eigenschaften haben – sie geben gleichsam ihre Identität auf und verhalten sich alle wie ein einziges Superatom. Die Existenz eines solchen Zustandes wurde erstmals 1925 von ALBERT EINSTEIN vorhergesagt. Der experimentelle Nachweis gelang zum ersten Mal 1995.

* 25.01.1627 Lismore (Irland)
† 30.12.1691 London

Er war ein britischer Naturforscher, der sich mit chemischen und physikalischen Problemen beschäftigte. Boyle ist einer der Mitbegründer der wissenschaftlichen Chemie, untersuchte das Verhalten von Gasen und den Luftdruck, befasste sich mit Farbenlehre und Thermometern.

* 01.06.1796 Paris
† 24.08.1832 Paris

Er war ein französischer Ingenieur und Physiker. Nach seinem Studium an der École Polytechnique diente er in der Armee NAPOLEONs als Ingenieuroffizier. Seine theoretischen Untersuchungen zur Wirkungsweise der Dampfmaschine hatten das Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Einführung der Dampfmaschinen in Frankreich zu fördern. Mit seiner berühmten Schrift „Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen“ begründete er die technische Thermodynamik.
Nach ihm ist der thermodynamische Kreisprozess benannt, der aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen besteht und der den höchstmöglichen Wirkungsgrad bei Kreisprozessen hat.

Der Carnotsche Kreisprozess, bestehend aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen, repräsentiert die „Takte“ einer ideal arbeitenden Wärmekraftmaschine. Dabei wird das Arbeitsmittel als ideales Gas betrachtet und die Prozessführung als reversible angenommen.

1. Takt: Durch Aufnahme von Wärme erfolgt eine isotherme Expansion. Es wird die Arbeit verrichtet.
2. Takt: Bei einer adiabatischen Expansion verringert sich die Temperatur. Hierbei wird von dem Gas arbeitet verrichtet, seine innere Energie verringert sich.
3. Takt: Für die isotherme Kompression muss Arbeit zugeführt werden. Die dabei entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
4. Takt: Durch eine adiabatische Kompression wird die Temperatur erhöht und damit der Ausgangszustand wieder erreicht.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die abgegebene mechanische Arbeit gleich der Änderung der Wärme in dem System. Die von den Zustandskurven eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die abgegebene Arbeit.