Physik Advanced · Professor Erklärbär

16:50

Folge 1

Kinematik & schräger Wurf – Advanced

Das lernst du

Bewegungsgleichungen: s = ½·a·t² + v₀·t + s₀ – und warum da ein ½ steht
die zeitfreie Gleichung v² = v₀² + 2·a·s: Bremsweg und Anhalteweg bei 50 und 100 km/h
Diagramme übersetzen: Steigung nach unten, Fläche nach oben (Lift mit phyphox)
freier Fall mit g = 9,81 m/s² – Hammer und Feder auf dem Mond
Unabhängigkeitsprinzip: Welches Handy landet zuerst?
schräger Wurf: Steigzeit, Wurfhöhe, Wurfweite – und wann 45° wirklich optimal ist
Messunsicherheit: Mittelwert, halbe Spannweite, sinnvoll runden
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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14:19

Folge 2

Newtonsche Gesetze – Advanced

Das lernst du

die drei Axiome: Trägheitsprinzip, F_res = m · a, Wechselwirkung
warum Wechselwirkungskräfte sich nie aufheben – und warum eine Rakete im Weltall fliegt
Freikörperbilder zeichnen und das Koordinatensystem klug wählen
Kräfte zerlegen: der Rollkoffer mit 80 N unter 40°
schiefe Ebene: Hangabtrieb mit sin, Normalkraft mit cos – und die Probe mit 0°
Reibung: F_R = μ · F_N, die Kiste auf der 25°-Rampe, Grenzwinkel tan α = μ
Lift und Waage: F_N = m · (g ± a), schwerelos im Freefall-Tower
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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13:50

Folge 3

Kreisbewegung & Drehmoment – Advanced

Das lernst du

T, f, ω und v = ω · r – und warum man in Radiant rechnet
Waschmaschine mit 1200 U/min: die Wäsche fliegt mit über 100 km/h
Zentripetalbeschleunigung a = v²/r: Salatschleuder 40 g, Laborzentrifuge 1000 g
Zentripetalkraft im Auto: Warum man bei Nässe aus der Kurve rutscht
Zentrifugalkraft: eine Scheinkraft im mitdrehenden System
Looping: v_min = √(g · r) – bei 10 m Radius rund 36 km/h
Gleichgewicht starrer Körper: das Brett auf zwei Böcken
Leistung bei Drehungen: P = M · ω
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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13:08

Folge 4

Gravitation & Himmelsmechanik – Advanced

Das lernst du

Apfel und Mond: dieselbe Kraft, mit 1/r² schwächer
das Gravitationsgesetz – und warum zwei Menschen sich mit nur 2,8 · 10⁻⁷ N anziehen
die Erde wiegen: g = G · M / R² ergibt M ≈ 6 · 10²⁴ kg
ISS: v = √(G · M / r) = 7,66 km/s, ein Umlauf in 93 Minuten
geostationär: 42 000 km Bahnradius – und warum es ein Sterntag sein muss
Kepler: Ellipsen, Flächensatz, T² / a³ = konstant – Mars braucht 1,88 Jahre
Gezeiten: das Gezeitenkraftwerk an der Rance mit 240 MW
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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15:46

Folge 5

Energie- & Impulserhaltung – Advanced

Das lernst du

W = F · s · cos φ – und warum Arbeit die Fläche unter der Kurve ist
Spannarbeit ½ · D · s²: die Federpistole schiesst mit 10 m/s
Energiebilanz: Looping-Starthöhe 2,5 · r gleitend, 2,7 · r rollend
Kraftstoss F · Δt = Δp: der Airbag senkt die Kraft von 7000 N auf 700 N
Impulserhaltung: Skaterin, Medizinball und Rakete
Auffahrunfall: 40 % der Bewegungsenergie gehen in verbogenes Blech
elastischer Stoss: gleiche Massen tauschen die Geschwindigkeiten
Pelton-Turbine: doppelter Impulsübertrag, beste Leistung bei u = v/2
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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14:24

Folge 6

Strömung & Bernoulli – Advanced

Das lernst du

p = ρ · g · h – hergeleitet aus der Wassersäule, 28 bar am Fuss einer Staumauer
Q = A · v und A₁ · v₁ = A₂ · v₂: warum der Gartenschlauch mit Düse spritzt
Bernoulli: p + ½ · ρ · v² + ρ · g · h = konstant
Torricelli: v = √(2 · g · h) – so schnell wie im freien Fall
Venturi, Zerstäuber, Prandtl-Rohr und der Ball im Föhnstrahl
Wie Flugzeuge fliegen – und warum die „gleiche Laufzeit“ ein Mythos ist
Luftwiderstand ~ v², Leistung ~ v³: 240 W bei 36 km/h
Turbinendüse: 18 % Verlust in Schlauch und Düse
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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15:48

Folge 8

Thermodynamik – Advanced

Das lernst du

Mischungstemperatur: 200 g Tee mit 80 °C + 50 g Milch mit 5 °C → 65 °C
Verdampfen braucht über fünfmal so viel Energie wie Erwärmen von 0 auf 100 °C
p · V = n · R · T: der Velopneu in der Sonne – 3,4 statt 3 bar Überdruck
kinetische Gastheorie: Ē = 3/2 · k · T, Luftmoleküle mit rund 500 m/s
1. Hauptsatz ΔU = Q + W: Velopumpe, Spraydose und Wolkenbildung
Wärmekraftmaschine: die eingeschlossene Fläche im p-V-Diagramm ist die Arbeit
Carnot: η_max = 1 − T_k : T_w – höchstens 65 % beim Kraftwerk
2. Hauptsatz und Entropie: Wärme fliesst von selbst nur von warm nach kalt
Wärmepumpe: Leistungszahl bis 8,8, real 3–4
Turbinen-Baustein 8: Wirkungsgrad unserer Mini-Turbine 43 %, Wasserkraft 90 %
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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15:22

Folge 9

Schwingungen & Wellen – Advanced

Das lernst du

y = ŷ · sin(ω · t) – der Schatten einer Kreisbewegung, ω = 2π · f
Federpendel T = 2π · √(m/D): ein Auto wippt rund 1 s nach
Fadenpendel T = 2π · √(l/g): Schaukel 3,2 s, Sekundenpendel 0,99 m
Resonanz: Millennium Bridge, Weinglas, das 600-t-Pendel im Taipei 101
c = λ · f – die Quelle bestimmt die Frequenz, das Medium die Geschwindigkeit
Interferenz: Noise-Cancelling und die Schwebung beim Stimmen
stehende Wellen: L = n · λ/2 – E-Saite 82,4 Hz, 107 m/s, Oktave am 12. Bund
Dopplereffekt: Martinshorn 900 Hz → 956 Hz und 850 Hz
Turbinen-Baustein 9: Unwucht und Resonanz bei 480 U/min
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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18:26

Folge 10

Linsen & Wellenoptik – Advanced

Das lernst du

n = c₀/c und n₁ · sin α₁ = n₂ · sin α₂ – 45° in Wasser werden 32°
Grenzwinkel: Wasser 48,8°, Glas 41,8°, Glasfaser 80,6°
Dispersion: Prisma, Regenbogen bei 42° und der vertauschte Nebenbogen bei 51°
Bildkonstruktion: Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahl – Kamera, Beamer, Lupe
1/f = 1/g + 1/b: Handykamera mit f = 4 mm – das Bild einer Person ist 3,6 mm gross
Brechkraft in Dioptrien: Lesebrille +2 dpt, Brille für Kurzsichtige −2,5 dpt
Auge, Lupe (25 cm/f), Mikroskop 400-fach, Fernrohr 50-fach
Licht ist eine Welle: Beugung, Doppelspalt (Young 1801), Gitter d · sin α = k · λ
Experiment: Wellenlänge eines Laserpointers mit einer CD messen – rund 650 nm
Turbinen-Baustein 10: Drehzahl mit Licht messen und der Stroboskop-Effekt
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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14:57

Folge 11

Relativitätstheorie – Advanced

Das lernst du

Michelson-Morley 1887 und Einsteins zwei Postulate (1905)
Gleichzeitigkeit ist relativ: zwei Blitze, ein Zug
Lichtuhr und Pythagoras: γ = 1/√(1 − v²/c²) – 1,25 bei 0,6 c, 7,1 bei 0,99 c
Zeitdilatation Δt = γ · Δt₀: Myonen aus 15 km Höhe erreichen den Boden
Längenkontraktion l = l₀/γ: 100 m werden bei 0,8 c zu 60 m
Reise zu einem Stern: 10 Jahre für die Erde, 8 Jahre für die Crew – und das Zwillingsparadoxon
0,6 c + 0,6 c ergibt nur 0,88 c
E = m·c²: 1 g Masse = 9·10¹³ J = 25 GWh – Sonne, Kernkraftwerk, CERN
GPS: −7 µs + 45 µs = 38 µs pro Tag ≈ 11 km Fehler
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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14:59

Folge 12

Quantenphysik – Advanced

Das lernst du

das Rätsel des Photoeffekts – warum das Wellenmodell versagt
E = h·f und E = h·c/λ: rotes Photon 1,9 eV, UV-Photon 5 eV
Einstein-Gerade E_kin = h·f − W_A: Zink, Grenzwellenlänge 288 nm, Gegenspannung 0,7 V
ein Laserpointer mit 1 mW sendet 3,3·10¹⁵ Photonen pro Sekunde
warum UV einen Sonnenbrand macht – Infrarot aber nicht
Doppelspalt mit einzelnen Teilchen: Punkte, die ein Wellenmuster ergeben
Materiewellen λ = h/p: Elektronen 0,12 nm, Tennisball 2·10⁻³⁴ m
Unschärferelation Δx·Δp ≥ h/(4π) – und warum das Elektron nicht in den Kern fällt
Turbinen-Baustein 12: die Solarzelle als Konkurrenz
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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15:21

Folge 13

Atom- & Kernphysik – Advanced

Das lernst du

von Thomson über Rutherford zu Bohr: wie man den Atomkern entdeckte
Linienspektren: Eₙ = −13,6 eV/n², die rote H-alpha-Linie bei 656 nm, Helium im Sonnenlicht
Nukleonen, Massenzahl, Ordnungszahl, starke Kernkraft und die Nuklidkarte
Zerfallsgleichungen: ²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He, β⁻: n → p + e⁻ + Antineutrino
Zerfallsgesetz N = N₀·(½)^(t/T½) = N₀·e^(−λt), Aktivität in Becquerel
Radiokarbon: 30 % C-14 übrig → rund 10 000 Jahre
Massendefekt: Helium-4 ist 0,030 u leichter als seine Bausteine → 28,3 MeV
Kernspaltung: 1 g U-235 = 8,2·10¹⁰ J ≈ 23 MWh ≈ 2,8 t Steinkohle
Kernfusion: Sonne, Deuterium + Tritium → 17,6 MeV, ITER
Turbinen-Baustein 13: die Dampfturbine im Kernkraftwerk
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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12:58

Folge 14

Wasserturbine bauen – Advanced

Das lernst du

Bauplan: Pelton-Rad R = 5 cm, 8 Löffelschaufeln, Welle r = 1 cm, Kanister 2,0 m über der Düse Ø 4 mm
hydraulische Leistung: 1 L in 14 s → Q = 7,1·10⁻⁵ m³/s, v = Q/A ≈ 5,7 m/s, P = ½·ρ·Q·v² ≈ 1,15 W
mechanische Leistung: 200 g in 4 s 1 m hoch → 0,49 W, M = 0,020 N·m, ω = 25 rad/s
Wirkungsgrad mit Unsicherheit: η = (43 ± 4) %, ganze Anlage ≈ 35 %
Optimieren: beste Schaufelgeschwindigkeit v/2 – mit 100 g steigt η auf ≈ 53 %
Grenzen: Leerlaufdrehzahl, Resonanz, warum grosse Turbinen rund 90 % schaffen (Bieudron, fast 1900 m Fallhöhe)
die vier häufigsten Prüfungsfallen

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