Grundlagen der Physik - Das Nachhilfeforum

Lupo54 schrieb:Oder das Ohmsche Geseetz.

Da bin ich ganz bei dir. Es sind oft die vermeintlich "einfachen" Dinge, die nicht verstanden werden, und das Ohmsche Gesetz ist beispielhaft dafür. Ich schätze mal, 98% aller Menschen haben die Kernaussage des Ohmschen Gesetzes nicht verstanden (ohne zuvor bei Wiki nachzuschauen). Nach dem Hinterfragen bei Wiki reduziert sich das vielleicht auf 80%. :D


Man sollte solche Dinge wirklich öfter durchgehen, egal wie trivial es erscheinen mag.

Peter0167 schrieb:Aber weil Negev von einer falschen Grundannahme ausging (es wird zusätzliche Energie benötigt, um nicht in den Kern zu stürzen), hat er auch seine Frage so formuliert

Hab die selbe Frage übrigens auch so im Unterricht gestellt. Die Antwort "Ich bin keine Physiklehrerin"... gut, die Frage hat sich aus dem Chemieunterricht ergeben.

Wir haben zuvor ein Filmchen angeschaut in dem es hieß, das Bohr mit seinem Modell - im Bezug auf den Energieerhaltungssatz - nicht glücklich war.

Wie ist diese Aussage zu verstehen?

Negev schrieb:Wir haben zuvor ein Filmchen angeschaut in dem es hieß, das Bohr mit seinem Modell - im Bezug auf den Energieerhaltungssatz - nicht glücklich war.

Wie ist diese Aussage zu verstehen?

Vielleicht so?

Der Energieerhaltungssatz ist in der Geschichte der Physik nicht immer unumstritten gewesen. Das berühmteste Beispiel ist Niels Bohr, der bei mehreren Gelegenheiten nur eine statistische (gemittelte) Erhaltung der Energie bei Quantenprozessen befürwortete, so in der sogenannten BKS-Theorie 1924 mit John C. Slater und Hendrik Anthony Kramers.[4] Diese sollte die ältere Quantentheorie mit der klassischen elektromagnetischen Feldvorstellung in Einklang bringen. Wenig später wurde diese Theorie durch Experimente von Compton und auch Hans Geiger und Walther Bothe widerlegt und die Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch auf Quantenebene bestätigt. Auch später versuchte Bohr, manche zunächst rätselhaften Quantenphänomene mit einer nur statistischen Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes zu erklären, so beim Betazerfall; die dort „fehlende“ Energie der beobachteten Zerfallsprodukte wurde jedoch von Wolfgang Pauli durch das Postulat eines neuen, nur schwach wechselwirkenden Teilchens, des Neutrinos, erklärt.

Heute gilt der Energieerhaltungssatz als etabliert und wird sogar häufig zur Definition der Energie herangezogen.

Quelle: https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Energieerhaltungssatz

@Nemon
Oh Mann...

Wer muss jetzt Totalversagen einräumen? 😁

Danke

Negev schrieb:Wie ist diese Aussage zu verstehen?

Vielleicht hängt es damit zusammen, dass beschleunigte Ladungen normalerweise strahlen, also Energie abgeben. Demnach müssten Elektronen, so sie sich denn auf einer "Bahn" bewegen, Energie verlieren. Tun sie aber nicht. Damit hatte Bohr wohl seine Probleme.

Das zeigt sehr schön die Schwächen dieses Modells auf, besser ist es, erst gar nicht damit anzufangen, denn hat sich das erst mal in den Synapsen festgebissen, wird man diese Vorstellungen nie wieder los.

Elektronen kreisen nicht wie Planeten auf einer Bahn um das Zentralgestirn!

Der Aufenthalt von Elektronen ist nicht fest bestimmt, sie sind mal hier, mal da, und sie bewegen sich auch nicht klassisch von A nach B, sondern "springen" ... obwohl das auch nicht korrekt ist. Frag einfach mal bei Heisenberg und Schrödinger nach :D

@Negev

Habs noch mal nachgeschlagen:

Bohr nahm als Ausgangspunkt das erst zwei Jahre vorher postulierte und damals noch wenig verbreitete Rutherfordsche Atommodell. Darin besteht ein Atom aus einem positiv geladenem Kern und negativ geladenen Elektronen, die sich in einer Hülle um den Kern herum befinden, wobei über die Bewegung der Elektronen in der Hülle noch nichts genaueres ausgesagt wird. Mit der Annahme der Anwendbarkeit der klassischen Mechanik und dem coulombschen Gesetz ließe sich daraus folgern, dass sich Elektronen um den Kern wie Planeten um die Sonne bewegen. Dieses Modell ist aber inkonsistent, denn nach der klassischen Elektrodynamik erzeugt eine kreisende Ladung elektromagnetische Wellen, mit denen Energie abgestrahlt wird. Folglich würde jedes kreisende Elektron Energie verlieren und müsste auf einer Spiralbahn in den Kern stürzen. Stabile Atome könnte es somit nicht geben. Da es aber Atome stabiler Größe gibt, ist das Modell in dieser Form widerlegt.

Wikipedia: Bohrsches Atommodell

Ob das nun der Grund für Bohrs Bedenken war kann ich nicht sagen. Es wäre jedoch plausibel.

Peter0167 schrieb:Zusammenfassend kann wohl gesagt werden, es ist wohl schwieriger ein Elektron einzufangen, als es auf seiner "Bahn" zu belassen.

Uhh, dazu kann ich auch ein bisschen Milchmädchenrechnung beisteuern.

Würde ein Elektron im Kern landen käme es ja typischerweise dazu, dass ein Neutron entsteht, indem sich das Elektron mit einem Proton verbindet. Jetzt schauen wir uns mal die Massen dieser Objekte an (hier über die Ruheenergie, gibt schönere Zahlen, finde ich):

Die Masse von Elektron und Proton zusammen:

Ist immernoch weniger als die Neutronenmasse:


Natürlich ziemlich billig betrachtet, die ganzen Teilchen haben ja nicht tatsächlich nur ihre Ruheenergie, aber ich finds trotzdem interessant. Getrennt voneinander zu existieren scheint energetisch günstiger für Elektronen und Protonen.

@Izaya

Nur die Ruheenergien zu betrachten bringt tatsächlich nichts, zudem wird ja auch noch ein Positron und ein Elektron-Neutrino abgestrahlt. Deren Ruheenergie sowie die kinetischen Energien darf man nicht vernachlässigen, ebenso die abgestrahlte EM-Strahlung.

PS: ich weiß natürlich, was du sagen wolltest :D

Was noch interessant ist, ... wieso haben Neutron und Proton eine unterschiedliche Ruheenergie?

Peter0167 schrieb:zudem wird ja auch noch ein Positron und ein Elektron-Neutrino abgestrahlt

Beim Elektroneneinfang nicht, das ist beim Betazerfall der Fall (beim B+-Zerfall, also Proton zu Neutron). Beim Elektroneneinfang ist es nur ein Neutrino, meine ich.

Außerdem sind Neutronen tatsächlich instabil. Außerhalb eines Atomkerns haben sie eine Halbwertszeit von 10 Minuten. Wenn du mich jetzt fragst, wieso sie im Kern stabil sind, bin ich überfragt...

Peter0167 schrieb:Was noch interessant ist, ... wieso haben Neutron und Proton eine unterschiedliche Ruheenergie?

Ich schätze es wird an der Zusammensetzung liegen. Up und Down Quarks haben unterschiedliche Ruheenergien und ein Proton ist zwei Up einer Down und das Neutron halt genau andersherum. Aber wahrscheinlich steckt noch viel viel mehr dahinter... (und die Bindung zwischen den Quarks spielt wahrscheinlich eine noch viel größere Rolle...)

Izaya schrieb:Beim Elektroneneinfang nicht

Okay, wusste ich auch noch nicht. Ich dachte der Elektroneneinfang führt unweigerlich zu einem Beta-Zerfall. Wie es aussieht geschieht dies aber auch ohne Emission von Teilchen, dabei wird dann nur Gammastrahlung frei. Muss man wissen ... :D

Peter0167 schrieb:Wie es aussieht geschieht dies aber auch ohne Emission von Teilchen, dabei wird dann nur Gammastrahlung frei. Muss man wissen ... :D

Ist natürlich Unsinn, das wäre nur bei einem Neutroneneinfang der Fall. Bei einem Elektroneneinfang entsteht ein Neutrino, jedoch keine Gammastrahlung.

Ich brauch jetzt mal dringend eine Pause :)

Peter0167 schrieb:Vielleicht hängt es damit zusammen, dass beschleunigte Ladungen normalerweise strahlen, also Energie abgeben. Demnach müssten Elektronen, so sie sich denn auf einer "Bahn" bewegen, Energie verlieren. Tun sie aber nicht. Damit hatte Bohr wohl seine Probleme.

Das zeigt sehr schön die Schwächen dieses Modells auf, besser ist es, erst gar nicht damit anzufangen, denn hat sich das erst mal in den Synapsen festgebissen, wird man diese Vorstellungen nie wieder los.

Elektronen kreisen nicht wie Planeten auf einer Bahn um das Zentralgestirn!

Ein weiteres Problem dieses Modells ist auch, dass Elektronen deutlich stärker miteinander wechselwirken als Planeten. Dadurch wird es beinahe unmöglich in einem Mehrelektronensystem stabile Bahnen zu finden.

Übrigens verlieren auch Planeten auf einer Umlaufbahn Energie, weil sie Gravitationswellen aussenden. Allerdings ist die dadurch abgegebene Energie so klein (ca. 200 W bei der Erde), dass es praktisch keinen Einfluss auf die Bahn des Planeten hat.

Izaya schrieb:Würde ein Elektron im Kern landen käme es ja typischerweise dazu, dass ein Neutron entsteht, indem sich das Elektron mit einem Proton verbindet. Jetzt schauen wir uns mal die Massen dieser Objekte an (hier über die Ruheenergie, gibt schönere Zahlen, finde ich):

Die Masse von Elektron und Proton zusammen:
me+mp=0,511MeV+938,272MeV=938,783m_{e} + m_{p} = 0,511 \text{MeV} + 938,272 \text{MeV} = 938,783me​+mp​=0,511MeV+938,272MeV=938,783

Ist immernoch weniger als die Neutronenmasse:
mn=939,565MeVm_{n} = 939,565 \text{MeV}mn​=939,565MeV

Wenn das Elektron so energiereich ist, dass es die Massendifferenz ausgleichen kann, dann reagieren Proton und Elektron tatsächlich zu einem Neutron. Neutronensterne basieren genau auf diesem Mechanismus.

Izaya schrieb:Außerdem sind Neutronen tatsächlich instabil. Außerhalb eines Atomkerns haben sie eine Halbwertszeit von 10 Minuten. Wenn du mich jetzt fragst, wieso sie im Kern stabil sind, bin ich überfragt...

Peter0167 schrieb:
Was noch interessant ist, ... wieso haben Neutron und Proton eine unterschiedliche Ruheenergie?

Ich schätze es wird an der Zusammensetzung liegen. Up und Down Quarks haben unterschiedliche Ruheenergien und ein Proton ist zwei Up einer Down und das Neutron halt genau andersherum. Aber wahrscheinlich steckt noch viel viel mehr dahinter... (und die Bindung zwischen den Quarks spielt wahrscheinlich eine noch viel größere Rolle...)

Die Masse der Quarks macht nur ein paar Prozent der Masse der Nukleonen aus. Der Rest ist Bindungsenergie. In einem Atomkern ändert sich aufgrund der Wechselwirkungen der Nukleonen untereinader die Bindungsenergie (erkennbar am Massendefekt). Deswegen kann man Atome nicht als eine Ansammlung von Protonen und Neutronen betrachten, sondern muss das ganze als eine Einheit betrachten. Die stabilen Atomkerne befinden sich dann im energetischen Minimum.

Ich hätte eine Frage an die Experten hier, kann auch einfach mit einigen Links beantwortet werden.

Wie schafft man es Raumsonden so genau auf einen Kurs zu bringen dass man einen z.b. einen so weit entfernten Asteroid wie Bennu erreicht und sogar Proben davon nehmen kann?

Irgendwie habe ich bei mir immer einerseits im Kopf dass eine nur kleine Abweichung bei einem Flug von so langer Dauer die Abweichung riesig wird. Und bei der großen Entfernung zu uns ist es auch sehr schwierig eine Kursanpassung zu berechnen und einzuleiten mit den Triebwerken der Sonden, weil die Positionsbestimmung ungenau ist?

Bei einer Doku hatte ich jetzt letztens gehört, dass manche Sonden am Ende des Ziels eine Abweichung von 100km hatten. Vielleicht kein so großers Problem wenn man den Jupiter photographieren möchte. Aber so etwas wie jetzt bei Bennu wäre dann ja nicht möglich?

RayWonders schrieb:Bei einer Doku hatte ich jetzt letztens gehört, dass manche Sonden am Ende des Ziels eine Abweichung von 100km hatten. Vielleicht kein so großers Problem wenn man den Jupiter photographieren möchte. Aber so etwas wie jetzt bei Bennu wäre dann ja nicht möglich?

Also meinem Verständnis nach ist sowas nach wie vor eine Mammut- und Meisterleistung.
Und da hat man sozusagen Glück gehabt dass es so geklappt hat wie vorgestellt. Grob beschrieben nur mal. Selbstverständlich ist alles berechenbar und mit heutigen Rechenleistungen leichter zu kontrollieren denke ich.
Nicht umsonst war es die News wert denke ich 🙂

Peter0167 schrieb am 20.09.2020:Man sollte solche Dinge wirklich öfter durchgehen, egal wie trivial es erscheinen mag.

Ja, denn das nur ein oderzweimal in Schulen hören, und das meist zu Zeitpunkten, an denen man es entweder noch nicht versteht oder sogar kein Interesses daran hat, ist einfach zu wenig.

Wenn man es danach nicht öfters wiederholt oder sich praktisch, beruflich oder hobbymäßig, damit beschäftigt, verschwindet es aus dem Gedächtnis oder wird falsch memorisiert.
Wobei das falsche Erinnern fast schlimmer ist, denn man meint ja, man wüsste es.
Hingegen nichts mehr wissen veranlasst einen schon eher, doch mal nach zu lesen.

Peter0167 schrieb am 20.09.2020:Da bin ich ganz bei dir. Es sind oft die vermeintlich "einfachen" Dinge, die nicht verstanden werden, und das Ohmsche Gesetz ist beispielhaft dafür. Ich schätze mal, 98% aller Menschen haben die Kernaussage des Ohmschen Gesetzes nicht verstanden (ohne zuvor bei Wiki nachzuschauen). Nach dem Hinterfragen bei Wiki reduziert sich das vielleicht auf 80%. :D

Wie kommst du grade darauf?

Tripane schrieb:Wie kommst du grade darauf?

Ist ne lange Geschichte ... ich versuche es mal kurz zu erklären.

Meine Firma hatte über viele Jahre Schülern Praktika-Plätze angeboten, daher hatte ich es im Laufe der Zeit mit Hunderten von Schülern zu tun, aus allen Schularten und allen Klassen ab Stufe 9. Und natürlich hat man dann auch den Ehrgeiz, den jungen Leuten etwas mit auf den Weg zu geben, was sie in ihrem späteren Leben auch mal gebrauchen können.

Mein Favorit war anfangs das Berechnen der Umsatzsteuer. Ich stellte daher gleich zu Beginn des Praktikums jedem Praktikanten die gleiche Aufgabe: ein Kunde kauft etwas für Brutto 50 Euro ein, wie groß ist der darin enthaltene Umsatzsteuerbetrag?

Das musste auch keiner im Kopf ausrechnen, jeder bekam einen Taschenrechner, einen Stift und ein Blatt Papier und es gab quasi unbegrenzte Bedenkzeit. Oft hatte ich auch mehrere Praktikanten gleichzeitig, die durften sich auch untereinander beraten, das Handy war jedoch tabu.

Diesen Test habe ich mit mehreren Hundert Praktikanten gemacht, und ich hatte im Schnitt einen pro Jahr, der mir ein korrektes Ergebnis liefern konnte. Ungefähr 30% waren imstande 16% von 50 auszurechnen (wohlgemerkt mit Taschenrechner!), aber danach wurde ja nicht gefragt. Der Rest hatte absolut keinen Plan, wie man die Lösung einer solchen Aufgabe überhaupt angeht. Die saßen dann nach 2 Stunden immer noch vor dem leeren Blatt Papier.

Das war für mich schon sehr frustrierend, insbesondere wenn man nach dem Praktikum Fragen wie diese beantworten sollte:

"Schätzen sie ein, wie der Schüler/Schülerin die in der Schule erworbenen Kenntnisse in der Praxis umgesetzt hat."

Einmal habe ich dann sogar zurück gefragt: Welche Kenntnisse?

Naja, irgendwann kam ich auf die glorreiche Idee, nachzufragen, was sie denn aktuell für Themen in der Schule behandeln, speziell in Physik. Neben Themen aus der Mechanik hörte ich auch immer wieder das Ohmsche Gesetz.

Okay dachte ich mir, frag halt mal das Ohmsche Gesetz ab. Und was soll ich sagen ... nahezu niemand war in der Lage, das Ohmsche Gesetz mit eigenen Worten zu beschreiben. Entweder kam rein gar nichts, bzw. falsche Antworten, ein Teil (wieder die berühmten 30%) kannte immerhin die Formel R=UI^-1, was schon mal nicht schlecht war, aber nicht wirklich die Kern-Aussage beschrieb. Und es gab wie zuvor bei der Umsatzsteuer den einen pro Jahr, der es tatsächlich wusste.

Weiterführende Fragen über die Natur der Elektrischen Spannung, der Stromstärke, der Elektrischen Leistung oder auch zur Elektrischen Arbeit führten ebenfalls zu keinem Ergebnis.

Daher auch mein Fazit: So gut wie niemand hat das Ohmsche Gesetz verstanden, auch das Nachlesen bei Wiki ändert daran nichts, weil die dazugehörigen Größen nicht verstanden werden. Ich habe diese Tests insgesamt 16 Jahre lang gemacht, inzwischen nehme ich keine Praktikanten mehr an, denke aber, an dem Ergebnis hätte sich bis heute nichts verändert.

Du kannst gerne eigene Tests machen, gib irgendwem einen Taschenrechner, und lass ihn die UST. ausrechnen, 2 von Hundert werden es ohne Probleme hinbekommen. Ungefähr 30% rechnen dir 8 Euro aus, der Rest wird versagen. Und so verhält es sich auch bei Fragen zur Physik.

Sorry, nun ist es doch wieder etwas länger geworden :)

Was ich vielleicht noch erwähnen sollte, am Ende des Praktikums waren über zwei Drittel befähigt, die USt. korrekt zu berechnen. :)

@Peter0167
Sag mal, aus welchen Bereichen kamen denn Deine Praktikanten?
Ich bin zwar nur Hauptschüler, dennoch haben wir auch das Ohmsche Gesetz in der Schule im Physik-Unterricht besprochen, aber lediglich nur angekratzt das Thema soweit ich mich erinnern kann. Aber grundsätzlich und hauptsächlich kenne ich persönlich dieses Thema nur aus meiner Zeit als ich eines von zwei Jahren Berufschule für Elektrotechnik versucht habe, und dann endgültig aus meiner Lehre zum KFZ-Mechaniker.

Woher kommen also Deine Ansprüche an Schülern? Also ich meine jetzt nur speziell das mit dem Ohmschen Gesetz, nicht das mit der USt.
Du führst nicht zufällig eine Autowerkstatt, oder?
Da wo ich arbeite, hat man es viel mit Aushilfskräften zu tun. Das sind meistens werdende Abiturienten. Da kann man auch schon einiges erwarten, sollte man meinen. Aber auch da ist man oft überrascht, wie überfordert die mit einfachsten Aufgaben sein können. Ich kann dich also nachvollziehen in gewissen Dingen ;-)

skagerak schrieb:Sag mal, aus welchen Bereichen kamen denn Deine Praktikanten?

Ich habe 2 Gymnasien in der Nähe, von dort kamen die meisten. Es waren aber auch Realschüler bis hin zu Umschülern, die zum Teil älter als ich waren und 3 oder 6 Monate blieben.

Ich wollte die auch in keiner Weise überfordern, daher frug ich ja extra, was sie gerade im Physikunterricht hatten. Mir war es wichtig, dass sie bei mir etwas lernten, was im Praktikum auch tatsächlich gebraucht wurde. Meine Firma ist im Bereich IT tätig, wir stellen neue PCs her und reparieren IT-Technik hardware- und softwareseitig.

Für Kalkulationen und Angebotserstellung ist es daher wichtig, die USt. berechnen zu können, und bei der Wahl des richtigen Netzteils sollten Begriffe wie Strom, Spannung und Leistung, sowie die grundlegenden Formeln schon geläufig sein.

Ich habe mir dann auch immer kleine Experimente einfallen lassen, wo sie die grundlegenden Formeln auch mal überprüfen konnten, wobei ich ab und zu mal ein paar "böse" Fallen eingebaut habe. Beim Ohmschen Gesetz reicht dazu eine Glühlampe und ein einfaches Multimeter :D

Ich gab ihnen eine 60W Glühlampe in die Hand, und sie sollten anhand der bekannten Daten zunächst mal den Innenwiderstand der Lampe berechnen, und ihn anschließend messen und die Ergebnisse vergleichen.

Bekannt war die Leistung (60W) und die Betriebsspannung (230V). Um den Widerstand mit U/I berechnen zu können, musste also erst einmal mit P = U * I der Strom berechnet werden, was in der Regel auch gelang. Mit den 0,26 A kamen sie dann auf ein R von knapp 900 Ohm. So, und nun wurde es lustig, denn als sie an der Lampe den Widerstand nachgemessen hatten, kam was gänzlich anderes raus.

Und dann ist es wichtig, ihnen nicht sofort die Lösung zu präsentieren, vielmehr sollten sie versuchen, von allein drauf zu kommen. Sie sollten noch mal alle angewendeten Formeln prüfen, die Rechnung wiederholen und über alle vorgegebenen Werte nachdenken. Oft habe ich es nicht mal am selben Tag aufgelöst, sondern ihnen die Gelegenheit gegeben, zu Hause weiter zu grübeln, oder auch die Eltern zu befragen. Dies sind dann nämlich die Aufgaben, die sich einprägen, und die man ein ganzes Leben lang nicht vergisst.

Und ob du es glaubst oder nicht, viele meiner Praktikanten haben mir hinterher (oder auch viel später) nochmal dafür gedankt, weil sie in den 14 Tagen mehr über Physik gelernt haben, als in einem ganzen Schuljahr.