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Spezielle Relativitätstheorie

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Physik

Die Physik die du vielleicht bisher kennengelernt hast, war ein perfektes Werkzeug um fast alle natürlichen Phänomene zu erklären!

Mit Hilfe der Newtonschen Mechanik kannst du sämtliche Bewegungen von Körpern und Flüssigkeiten beschreiben, die kinetische Gastheorie ist ein perfektes Mittel um eine Grundlage für das Verhalten von Gasen zu schaffen und die gesamte Elektrizitätslehre hat uns gezeigt, wie elektrische- und magnetische Felder miteinander wechselwirken und das Licht sogar als elektromagnetische Welle aufgefasst werden kann.

HF

In der Physik spricht man hierbei von der sogenannten klassischen Physik!

Niemand geringeres als Albert Einstein hat am Anfang des 20. Jahrhunderts einige physikalische Phänomene entdeckt, die sich nicht mit der klassischen Physik erklären lassen und begründete damit ein neues Werkzeug unbekannte, physikalische Probleme zu lösen: Die moderne Physik!

In diesem Artikel erfährst du alles über die spezielle Relativitätstheorie, die ein riesen Teilgebiet der modernen Physik bildet, welche Themen dabei wichtig sind und wir werden dir zeigen, dass nicht nur Albert Einstein ein wahres Genie war.

  • Was heißt überhaupt relativ?
  • Gelten physikalische Gesetze wirklich in jedem System?
  • Das Michelson-Interferometer – Ein Experiment, dass plötzlich alles geändert hat!
  • Wie lauten die Postulate der speziellen Relativitätstheorie?
  • Ist Gleichzeitigkeit tatsächlich möglich?
  • Die Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon
  • Was hat es mit der Längenkontraktion auf sich?
  • Die Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie

Spezielle Relativitätstheorie – Einfach erklärt!

Prinzipiell beschreibt die spezielle Relativitätstheorie die Betrachtung physikalischer Ereignisse von Körpern aus unterschiedlichen Beobachtungsperspektiven!

In der Physik spricht man hierbei von sogenannten Bezugssystemen oder auch Inertialsystemen.

Wichtig dabei ist sich die beiden Begriffe relativ und absolut im physikalischen Kontext klar zu machen!

Relativ
Absolut
AlltagserklärungEin physikalisches Ereignis ist relativ, wenn die Beobachtungsperspektive das Ergebnis verändert.Ein physikalisches Ereignis ist absolut, wenn das Ergebnis vollkommen unabhängig von der Beobachtungsperspektive ist.
Physikalische DefinitionEin physikalisches Ereignis verändert sich abhängig vom gewählten Inertialsystem.Ein physikalisches Ereignis ist unabhängig vom gewählten Inertialsystem.
BeispielDu bist Elfmeterschütze und schießt oben rechts ins Eck. Aus der Perspektive des Torwarts fliegt der Ball aber nach oben links.Für Elfmeterschütze, Torwart und für Zuschauer hat der Fußball immer die selbe Form: Er ist rund.

Bei der speziellen Relativitätstheorie bewegen sich Inertialsysteme relativ zueinander!

Stell dir mal folgendes Gedankenexperiment vor:

Du bist mit deiner besten Freundin am Flughafen. Ihr wollt beide zu eurem Flug kommen und geht einen der langen Gänge entlang. In dem Gang befindet sich ein Rollsteig, eine Art flache Rolltreppe. Deine Freundin geht auf den Rollsteig und läuft genau so schnell weiter wie zuvor. Du gehst neben dem Rollsteig auf dem normalem Flughafenboden weiter.

Obwohl ihr beide davor zusammen gleich schnell gegangen seit bewegt sich deine Freundin nun schneller den Gang entlang als du! Fragst du nun deine Freundin, wie schnell sie geht würde sie antworten, dass sie genau so schnell wie vor dem Rollsteig geht, also genau so schnell wie du.

Dennoch sieht es für dich so aus als würde sie sich schneller bewegen. Aus der Sicht deiner Freundin sieht das jedoch umgekehrt aus: Du bist langsamer geworden, obwohl du fest behaupten wirst, dass du gleich schnell wie zuvor weiter läufst ! Der Unterschied zwischen euren Geschwindigkeiten liegt offensichtlich am Rollsteig, aber was bedeutet dies physikalisch?

Weiterführend lässt sich die Frage stellen, was mit den Geschwindigkeiten zweier Bälle passieren würde, wenn ihr beide eure Bälle gleich schnell nach vorne wirft. Jeweils von eurer Perspektive aus würde eurer eigener Ball gleich schnell fliegen. Der andere Ball aber wäre langsamer oder schneller je nach Perspektive!

Nun nehmt ihr beide euer Handy raus und macht ein Foto mit Blitz nach vorne. Wie sieht es mit der Geschwindigkeit des Lichtblitzes aus? Das ist eine etwas kniffligere Frage, als zunächst ersichtlich und wir werden uns das Verhalten von Licht in der Speziellen Relativitätstheorie genauer anschauen!

Das Galilei-Newtonsche Relativitätsprinzip

Wer hat in dem Flughafenszenario nun jetzt eigentlich Recht? Um es vorweg zu nehmen: Ihr habt beide recht!

Grund dafür ist das sogenannte Galilei - Newtonsche Relativitätsprinzip!

Das Galilei-Newtonsche Relativitätsprinzip besagt, dass alle physikalischen Grundgesetze in jedem Inertialsystem gleich sind!

Es spielt also absolut keine Rolle, ob du dich auf dem Laufsteig oder daneben auf dem Flur befindest, die physikalischen Gesetze gelten in beiden Inertialsystemen.

Zumindest ist es intuitiv klar: Wenn dir irgendein Gegenstand aus der Hosentasche fällt, dann wird der physikalische Fallprozess vollkommen identisch sein, egal ob du dich auf dem Laufsteig oder auf dem Flur befindest!

Merk dir daher: Die physikalischen Gesetze bleiben immer gleich, es kommt lediglich darauf an, aus welcher Perspektive du das physikalische Ereignis betrachtest, also wie das Inertialsystem gewählt ist!

Wenn du mehr darüber erfahren möchtest und tiefer in die Thematik eindringen willst, dann lies dir unbedingt unseren Artikel über das Galilei-Newtonsche Relativitätsprinzip durch!

Das Michelson-Morley-Interferometer

Es gibt aber noch viele weitere Erkenntnisse und verblüffende Theorien in der speziellen Relativitätstheorie! Schonmal was von Äther gehört?

In der Physik war man sich einig: Wellen bewegen sich durch ein sogenanntes Medium.

Schallwellen bewegen sich zum Beispiel durch das Medium Luft und Wasserwellen bewegen sich durch das Medium Wasser. Man war sich ziemlich sicher, dass sich jede Welle durch ein zugehöriges Medium bewegt. Licht konnte als elektromagnetische Welle interpretiert werden, daher war es für die Physikwelt damals klar, dass es auch ein zugehöriges Medium zur Ausbreitung von Licht geben muss: Der transparente Äther!

Unter der Äthertheorie versteht man die ursprüngliche Vermutung, dass sich Licht als elektromagnetische Welle durch das Medium Äther bewegt!

Die Behauptung: Es muss, so wie bisher immer, das Galilei - Newtonsche Relativitätsprinzip gelten! Alle Bewegungen des Lichts müssten also relativ im Äther sein!

Stell dir vor du stehst an einem großem Fluss wie dem Rhein und schaust einem Boot beim fahren zu.

Die die Geschwindigkeit des Bootes wird dir unterschiedlich vorkommen: Je nachdem wie weit das Boot von dir ist, ob es stromaufwärts oder stromabwärts oder von rechts nach links auf dem Fluss fährt!

Wenn das für ein Boot im Medium Wasser gilt, dann muss das auch für Licht als elektromagnetische Welle im Medium Äther gelten! Oder?

Um diese Behauptung ursprünglich zu beweisen, haben die zwei Wissenschaftler Albert Michelson und Edward Morley am Ende des 19. Jahrhunderts ein raffiniertes Experiment entwickelt: Das Michelson-Morley-Interferometer.

Darin untersuchten sie die Unterschiede der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen zu einem festen Inertialsystem. Sie wollten also zeigen, dass auf Licht genau das selbe zutrifft, wie bei unserem Boot Szenario!

Der Clou: Sie haben durch Zufall genau das Gegenteil gezeigt! Die Geschwindigkeit von Licht ist in allen Inertialsystem vollkommen identisch und einen Äther als Medium für die Ausbreitung von Licht gibt es nicht!

Das Michelson-Morley-Interferometer ist ein spezielles Experiment, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen zu einem festen Inertialsystem zu untersuchen!

Wenn du wissen willst, wie genau das Michelson-Morley-Interferometer aufgebaut ist und funktioniert, dann schau dir unbedingt unseren Artikel dazu an!

Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie

Aus den bisherigen Themen in diesem Artikel lassen sich die Postulate der speziellen Relativitätstheorie aufstellen!

Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie lauten

  1. Physikalische Gesetze haben in allen Inertialsystemen die gleiche Form.
  2. Licht breitet sich im Vakuum mit einer bestimmten Geschwindigkeit c aus, die unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle oder des Beobachters ist.

Die Gleichzeitigkeit

Wie stellst du fest, ob zwei physikalische Ereignisse gleichzeitig ablaufen?

Wenn du zwei Bälle fallen lässt, ist das noch ganz überschaubar: Wenn beide Bälle zum selben Zeitpunkt vor dir auf den Boden prallen, haben die Fallprozesse wohl gleichzeitig stattgefunden.

Kennst du den genauen Ort, ist die Überprüfung der Gleichzeitigkeit nicht allzu schwierig.Wie kann man aber Gleichzeitigkeit bei sehr weit voneinander entfernten Objekten mit unbekannten Orten feststellen und welche Rolle spielt die Beobachtungsperspektive bei der Betrachtung der Zeit?

In anderen Worten: Ist Zeit relativ?

Wenn du auf der Suche nach dieser Antwort bist und du wissen möchtest, mit welchen Gedankenexperiment man die Gleichzeitigkeit an unbekannten, weit entfernten Orten einfach überprüfen kann, lies dir auf jeden Fall unseren Artikel über die Gleichzeitigkeit durch!

Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon

Die Zeitdilatation ist neben der Längekontraktion eine wesentliche Folgerung aus der Relativität der Zeit! Wenn du den Artikel zur Gleichzeitigkeit gelesen hast, weißt du, warum die Zeit relativ ist.Wir zeigen dir, was du dir unter der Zeitdilatation vorstellen kannst!

Zeitdilatation - Ein einfaches Beispiel

Stell dir vor, dass du nachts an einem Bahnhof am Bahngleis stehst und einen vorbeifahrenden Zug beobachtest, dessen Geschwindigkeit fast der Lichtgeschwindigkeit gleicht.In einem Zugabteil befindet sich eine Person, die am Fenster sitzt. Du und die im Zug sitzende Person habt beide präzise Uhren in der Hand und beobachtet einen Lichtstrahl der von der Person im Zug senkrecht nach oben an die Decke gegen einen Spiegel und wieder senkrecht zurück an einen Empfänger zur Person im Zug strahlt. Bedenke: Das Licht bewegt sich mit der Lichtgeschwindigkeit c.Die Distanz zwischen Spiegel und Empfänger nennen wir einfach D.

Ihr wollt also beide wissen: Ist die Strecke des Lichtstrahls aus beiden Beobachtungsperspektiven identisch und werdet ihr die selben Zeiten für den zurückgelegten Weg auf eurer Uhr ablesen?Die Perspektive der Person im Zug kannst du dir wie folgt vorstellen:

Für die Person im Zug strahlt das Licht einmal senkrecht über die Distanz D nach oben zum Spiegel und dann senkrecht über die Distanz D zum Empfänger zurück. Sobald das Licht einmal zum Spiegel und wieder zurück zum Empfänger gelangt, stoppt die Person im Zug die Zeit mit der Uhr.Wie verläuft der Lichtstrahl aber aus deiner Beobachtungsperspektive?Du kannst dir den Lichtstrahlverlauf wie folgt vorstellen:

Sobald der Lichtstrahl startet und die Zeit für den Weg gemessen wird, bewegt sich aus deiner Perspektive die Person im Zug ja mit fast Lichtgeschwindigkeit weiter!Der Weg den der Lichtstrahl zurücklegt, ist aus deiner Perspektive plötzlich viel länger geworden, als es aus der Perspektive des Zugpassagiers der Fall ist. Das kann man ganz leicht an dem gelb dargestellten Strahlenverlauf erkennen!

Wenn das Licht aus deiner Beobachtungsperspektive einen längeren Weg braucht, muss die Zeit in dem sich sehr schnell bewegenden Zug auch langsamer verlaufen! Warum? Du wirst im zweiten Szenario nach einer viel längeren Zeit deine Uhr zum Stoppen bringen, als es im ersten Szenario der Fall ist!

Die Hauptaussage der Zeitdilatation: Bewegte Uhren laufen langsamer!

Das Zwillingsparadoxon

Ein Paradebeispiel für die Zeitdilatation ist das sogenannte Zwillingsparadoxon!Dabei geht es um einen Zwilling eines 20 Jahre jungen Zwillingspaares, der eine 10-jährige Reise mit einem Raumschiff macht! Der eine Zwilling steigt dabei in ein Raumschiff und fährt mit fast Lichtgeschwindigkeit auf einen sehr weit entfernten Planeten, während der andere auf der Erde wartet! Nach 10 Jahren kommt der Weltraumreisende wieder zur Erde zurück!Beide sind bei der Abfahrt 20 Jahre jung. Der Zwilling im Raumschiff bewegt sich jedoch aus der Perspektive des auf der Erde bleibenden Zwillings mit fast Lichtgeschwindigkeit von ihm weg.Aufgrund der Zeitdilatation laufen die Uhren auf dem Raumschiff daher langsamer!Es kann also passieren, dass sich die Zwillinge nach 10 Jahren auf der Erde wieder treffen, wobei der Zwilling der auf Weltraumreisen war ein Alter von 21 Jahren besitzt, während sein Bruder/Schwester bereits 30 Jahre alt ist.

Wieso das Zwillingsparadoxon möglich sein kann, wie sich die genaue Formel der Zeitdilatation ergibt und welche Rolle der Begriff der Eigenzeit hierbei spielt, erfährst du in unserem Artikel über die Zeitdilatation!

Längenkontraktion

Eine weitere, ziemlich interessante Folgerung der speziellen Relativitätstheorie ist die sogenannte Längenkontraktion!

Neben der Zeit sind auch Längen und Entfernungen in verschiedenen Inertialsystemen verschieden! Das heißt, dass Längen und Entfernungen relativ sind!

Längenkontraktion - Ein einfaches Beispiel

Stell dir mal vor, dass eine Rakete sich mit fast Lichtgeschwindigkeit im Weltall bewegt und den Planeten Mars anpeilt! Aus der Perspektive des Astronauten an Bord der Rakete ändert sich gar nichts! Das Inertialsystem befindet sich in Ruhe.

Wenn wir die gleiche Situation aus der Perspektive eines Beobachters von der Erdoberfläche betrachten, ergibt sich folgendes:

Aus der Perspektive eines Beobachters von der Erde aus, scheint die Rakete aufgrund der Längenkontraktion plötzlich verkürzt! Wichtig ist, dass die Verkürzung nur in Bewegungsrichtung passiert! Die Rakete verliert aufgrund der Längenkontraktion also an Länge, aber nicht an Höhe!

Die Hauptaussage der Längenkontraktion: Bewegte Körper erscheinen in Bewegungsrichtung verkürzt!

Wenn du wissen willst, was genau hinter der Längenkontraktion steckt und wie die genauen Formeln und Berechnungen aussehen, lies dir unbedingt unseren Artikel über die Längenkontraktion durch!

Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie

Durch die spezielle Relativitätstheorie konnten wichtige Folgerungen geschlossen werden! Wir zeigen dir hier die drei wichtigsten!

Relativistische Masse und relativistischer Impuls

Eine der bedeutsamsten Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie ist, dass Impuls und Masse plötzlich relativistisch sind. Dadurch lässt sich eine ziemlich interessante Frage beantworten:

Warum können sich Körper niemals mit Lichtgeschwindigkeit bewegen? Und warum werden Körper immer träger, je höher die Geschwindigkeit ist mit denen sie sich bewegen?

Ein neuer Energiebegriff: E= mc²

Albert Einstein folgerte im Jahr 1905 mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie die wohl bekannteste physikalische Formel der Welt:

Was sagt diese Gleichung nun aber aus?

Die Gleichung sagt aus, dass die Masse eine Form der Energie ist!

Vorsicht! Die Masse ist demnach eine Form der Energie und nicht damit gleich zu setzen! Diese Gleichung sagt nur aus, dass Masse und Energie äquivalente Begriffe sind! Kennst du die Energie eines Körpers, kennst du auch seine Masse und umgekehrt!

So wie bisher alle anderen Energieformen ineinander umwandelbar sind, können wir nun ebenso die Masse als Energieform in eine andere Energie umwandeln.

Das Korrespondenzprinzip

Das Korrespondenzprinzip führt die klassische Physik und die speziellen Relativitätstheorie zusammen.

Es besagt, dass sich die moderne und klassische Physik überhaupt nicht konträr gegenüberstehen und klassische und moderne Theorien sich eben nicht gegenseitig ausschließen! Genau das Gegenteil ist der Fall!

Die klassische Physik ist ein Grenzfall der modernen Physik.

Solange wir uns nicht der Lichtgeschwindigkeit nähern, befinden wir uns in der klassischen Physik und falls wir doch in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit geraten, greifen wir zur modernen Physik und haben keinerlei physikalische Probleme!

Falls du mehr zu all diesen Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie wissen möchtest und verstehen willst, warum welche Formeln gelten und tiefer ins Detail gehen möchtest, lies dir unbedingt unseren Artikel zu den Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie durch!

Viele denken immer, dass Einstein für seine Ideen in der speziellen Relativitätstheorie einen Nobelpreis erhalten hat. Das stimmt aber nicht! Den Nobelpreis hat Einstein für die Entdeckung des Photoeffekts bekommen! Damals waren seine Theorien zur speziellen Relativitätstheorie nämlich schwer umstritten und durch die komplizierte Theorie nur schwer experimentell überprüfbar, was damals das Maß der Dinge war! Den Photoeffekt hingegen konnte man bereits damals mit Experimenten klar beweisen.

Finales Spezielle Relativitätstheorie Quiz

Frage

Was sind Einsteins Postulate? 

Antwort anzeigen

Antwort

Relativitätsprinzip: Alle Inertialsysteme sind gleichwertig, d. h., alle Naturgesetze haben in jedem Inertialsystem die gleiche Form. 

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen gleich.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Inertialsystem?

Antwort anzeigen

Antwort

Bezugssystem, in dem das 1. Newton’sche Gesetz (Trägheitsgesetz) uneingeschränkt gültig ist

Frage anzeigen

Frage

Wann gelten Einsteins Postulate? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Postulate gelten stets, ihre Auswirkungen machen sich aber erst bei Geschwindigkeiten oberhalb etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit bemerkbar (Faustregel v > 0,1 c). Sie müssen dann bei Berechnungen berücksichtigt werden (relativistische Rechnung).

Frage anzeigen

Frage

Was sind Anwendungsgebiete von statischen Feldern?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Beschleunigung geladener Teilchen
  • Energiespeicher: Platten- und Gold-Cap-Kondensator; Batterie
  • Gewitter (Blitzentladung); piezoelektrischer Effekt; Xerografie
Frage anzeigen

Frage

Was sind Anwendungsgebiete von statischen elektrischen Feldern?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Beschleunigung geladener Teilchen
  • Energiespeicher: Platten- und Gold-Cap-Kondensator; Batterie
  • Gewitter (Blitzentladung); piezoelektrischer Effekt; Xerografie
Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Feld? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Feld ist eine Eigenschaft des Raumes, die Kraftwirkungen zwischen Körpern ohne materielle Verbindung beschreibt und durch virtuelle Feldlinien dargestellt werden kann.

Frage anzeigen

Frage

In welche Richtung laufen elektrische Feldlinien? 

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische Feldlinien verlaufen von Plus nach Minus (Kraftrichtung auf eine positive Probeladung) und haben einen Anfang (positive Ladung) und ein Ende (negative Ladung)

Frage anzeigen

Frage

Können sich Feldlinien kreuzen oder berühren? 

Antwort anzeigen

Antwort

Nein

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet eine lokal hohe Feldliniendichte?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine lokal hohe Feldliniendichte bedeutet dort ein starkes Feld.

Frage anzeigen

Frage

Was für Felder haben punktförmige Ladungen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Punktförmige Ladungen haben ein radialsymmetrisches Feld.

Frage anzeigen

Frage

Wie laufen die Feldlinien in einem homogenen Feld?

Antwort anzeigen

Antwort

In einem homogenen Feld verlaufen die Feldlinien zueinander parallel.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die physikalische Größe der elektrischen Feldlinien?

Antwort anzeigen

Antwort

Die elektrische Feldstärke

Frage anzeigen

Frage

Was ist die elektrische Feldstärke?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Feldstärke E eines elektrischen Felds in einem Punkt P ist gegeben durch einen Vektor, der Betrag und Richtung der elektrischen Kraft auf eine positive Probeladung der Größe q = 1 C angibt.

Frage anzeigen

Frage

Wie lässt dich das elektrische Feld neben einer Kraft ebenfalls beschreiben?

Antwort anzeigen

Antwort

Statt mit der Kraft (Vektor) lässt sich das elektrische Feld auch mithilfe der physikalischen Arbeit (Skalar), die zum Ladungstransport im Feld aufgewendet werden muss, beschreiben. Die der Feldstärke entsprechende, auf die Probeladung q = 1*C bezogene Größe heißt elektrisches Potenzial.

Frage anzeigen

Frage

Was gibt das Potential eines elektrischen Felds an? 

Antwort anzeigen

Antwort

Das Potential ϕ eines elektrischen Felds gibt die Arbeit W an.

Frage anzeigen

Frage

Wie kann das elektrische Potenzial veranschaulicht werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Potenzial kann mit Äquipotenziallinien dargestellt werden.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Eigenschaften von Äquipotenziallinien?

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Antwort

  • Äquipotenziallinien sind in sich geschlossene Linien.
  • Äquipotenziallinien schneiden oder berühren sich nicht.
  • Äquipotenziallinien schneiden Feldlinien stets senkrecht.
  • Eine lokal hohe Äquipotenzialliniendichte bedeutet ein dort starkes Feld (Kraftwirkung quer zu den Linien in Richtung abnehmenden Potenzials).
  • Leiteroberflächen sind Äquipotenzialflächen.
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Frage

Wie findet man die Feldlinien (oder das Äquipotenziallinienbild) wenn die Verteilung der einzelnen (Punkt-)Ladungen gegeben ist?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Ladungsgröße und -vorzeichen beachten. Bei gleichen Ladungsbeträgen Symmetrie der Ladungsverteilung ausnutzen. Speziell bei 2 Ladungen: Rotationssymmetrie zur Verbindungslinie
  • Beachten: Keine Schnitt- oder Berührpunkte gleichartiger Linien; Feld- und Äquipotenziallinien stehen aufeinander senkrecht; Feldlinien beginnen /enden senkrecht an geladenen Flächen
  • Liniendichte umso größer, je kleiner der Abstand zur Ladung und je größer der Ladungsbetrag
Frage anzeigen

Frage

Wie bestimmt man die Kräfte / Feldstärken zeichnerisch, wenn die Verteilung der einzelnen (Punkt-)Ladungen gegeben ist?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kraftpfeile liegen tangential zu den Feldlinien, senkrecht zu den Äquipotenziallinien
  • Kräfte addieren sich vektoriell (Kräfteparallelogramm)
  • Symmetrien beachten: Betragsgleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Kraftkomponenten kompensieren sich zu null.
Frage anzeigen

Frage

Wann ist ein elektrisches Feld homogen?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein elektrisches Feld ist homogen, wenn

  • die elektrische Feldstärke in allen Feldpunkten die gleiche Richtung und den gleichen Betrag besitzt: E = konst.
  • die Feld- bzw. Äquipotenziallinien parallel und äquidistant
    verlaufen.
Frage anzeigen

Frage

Ist das Feld eines Plattenkondensators homogen?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Feld eines Plattenkondensators ist in seinem Inneren homogen. Die auf den Platten des Plattenkondensators gespeicherte Ladung ist proportional zu der angelegten Spannung.

Frage anzeigen

Frage

Was speichert ein Kondensator neben einer Ladung?

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Antwort

Ein Kondensator ist nicht nur ein Ladungsspeicher, sondern auch ein Energiespeicher

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht ein radialsymmetrisches elektrisches Feld?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein radialsymmetrisches elektrisches Feld entsteht in der Umgebung einer Punktladung. Ist sie positiv, weisen die Feldlinien radial nach außen, ist sie negativ, sind sie auf das Ladungszentrum hin gerichtet.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Äquipotenzialflächen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Äquipotenzialflächen sind konzentrische Kugelflächen mit dem Ladungszentrum als Mittelpunkt.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Anwendungsgebiete von statischen magnetischen Feldern?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Technik: Elektromagnet; Gleichstromelektromotor; Drehspulinstrument; Ablenkspulen 
  • Natur: Erdmagnetfeld; Van-Allen-Gürtel
Frage anzeigen

Frage

Durch was werden magnetische Felder beschrieben?

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Antwort

Magnetische Felder werden durch Feldlinien beschrieben, die in jedem ihrer Punkte tangential zum dortigen magnetischen Kraftvektor verlaufen

Frage anzeigen

Frage

Nenne Eigenschaften von magnetischen Feldlinien

Antwort anzeigen

Antwort

Magnetische Feldlinien

  • sind stets geschlossen, haben also keinen Anfangs- oder Endpunkt;
  • kreuzen und berühren sich nicht;
  • verlaufen (außerhalb eines Magneten) vom Nord- zum Südpol;
  • sind lokal umso dichter, je stärker dort das Magnetfeld ist.
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Frage

Wo entstehen Magnetfelder? 

Antwort anzeigen

Antwort

Magnetfelder entstehen in der Gegenwart von Dauermagneten (bestehend aus Eisen, Kobalt, Nickel oder Legierungen daraus) oder in der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters.

Frage anzeigen

Frage

Welche physikalische Größe ist den magnetischen Feldlinien zugeordnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die den magnetischen Feldlinien zugeordnete physikalische Größe ist die magnetische Flussdichte („Stärke“ des Magnetfelds). Sie ist durch die Kraft definiert, die ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt.

Frage anzeigen

Frage

Wie kann die Flussdichte bei Überlagerung verschiedener Felder berechnet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Überlagern sich mehrere magnetische Felder, ergibt sich die Gesamtflussdichte analog zum elektrischen Feld durch vektorielle Addition der Einzelflussdichten.

Frage anzeigen

Frage

Wann liegt ein homogenes Feld vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein homogenes Feld liegt z. B. zwischen den Schenkeln eines Hufeisenmagneten vor, im Zentrum eines Helmholtz-Spulenpaars oder im Inneren einer langen Zylinderspule, durch deren Drahtwindungen ein konstanter Gleichstrom fließt.


Frage anzeigen

Frage

Wann bezeichnet man ein Magnetfeld als homogen?

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Antwort

Wenn die Flussdichte B konstant ist

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Frage

Was sind Einsteins Postulate? 

Antwort anzeigen

Antwort

Relativitätsprinzip: Alle Inertialsysteme sind gleichwertig, d. h., alle Naturgesetze haben in jedem Inertialsystem die gleiche Form. 

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen gleich.

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Frage

Was ist das Inertialsystem?

Antwort anzeigen

Antwort

Bezugssystem, in dem das 1. Newton’sche Gesetz (Trägheitsgesetz) uneingeschränkt gültig ist

Frage anzeigen

Frage

Wann gelten Einsteins Postulate? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Postulate gelten stets, ihre Auswirkungen machen sich aber erst bei Geschwindigkeiten oberhalb etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit bemerkbar (Faustregel v > 0,1 c). Sie müssen dann bei Berechnungen berücksichtigt werden (relativistische Rechnung).

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Lenz'sche Regel?

Antwort anzeigen

Antwort

Induktionsvorgänge laufen stets so ab, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken.

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter Selbstinduktion?

Antwort anzeigen

Antwort

Unter Selbstinduktion versteht man das Auftreten einer Induktionsspannung in einem Leiterkreis, die durch eine Änderung des Stroms im gleichen Leiterkreis verursacht wird.

Frage anzeigen

Frage

Woraus besteht ein elektromagnetischer Schwingkreis?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein elektromagnetischer Schwingkreis besteht im Wesentlichen aus einer Spule und einem Kondensator.

Frage anzeigen

Frage

Was wird in einem elektromagnetischen Schwingkreis umgewandelt?

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische und magnetische Feldenergie wird fortwährend periodisch umgewandelt.

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Frage

Wie verhält sich die Gesamtenergie eines Schwingkreises, wenn der ohmsche Widerstand vernachlässigt werden kann?

Antwort anzeigen

Antwort

Arbeitet der Schwingkreis verlustfrei, d. h, kann der ohmsche Widerstand von Spule und Zuleitungen vernachlässigt werden, sind die Schwingungen ungedämpft und harmonisch (d. h. sinusförmig), die Gesamtenergie im Kreis ist zeitlich konstant.

Frage anzeigen

Frage

Wieso sind Schwingkreise in der Realität stets gedämpft?

Antwort anzeigen

Antwort

In der Realität ist im Schwingkreis stets ein endlich großer ohmscher Widerstand vorhanden. Folglich sind die Schwingungen gedämpft, d. h., Schwingungsenergie wird dem Kreis nach und nach entzogen und in Wärmeenergie umgewandelt

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Huygens'sche Prinzip?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Jeder Punkt einer jeden Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer elementaren Kreiswelle aufgefasst werden, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit und der gleichen Wellenlänge wie die ursprüngliche Welle ausbreitet
  • Die neuen Wellenfronten ergeben sich durch Überlagerung aller Elementarwellen als Einhüllende der Elementarwellen
Frage anzeigen

Frage

Was ist die Interferenz von Wellen? 

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Antwort

Überlagerung kohärenter Wellen, z. B. hinter Doppelspalt oder zwei Sendedipolen

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Frage

Welche Arten von Interferenz gibt es? 

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Antwort

  • konstruktiv (Verstärkung): an Stellen, an denen zwei Wellentäler bzw. zwei Wellenberge aufeinandertreffen (schwarze Punkte) → Interferenzmaxima 
  • destruktiv (Auslöschung): an Stellen, an denen ein Wellental und ein Wellenberg aufeinander- treffen (graue Punkte) → Interferenzminima
Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Interferenz am Doppelspalt

Antwort anzeigen

Antwort

Trifft monochromatisches kohärentes Licht der Wellenlänge λ senkrecht auf einen Doppelspalt, beobachtet man auf einem dazu parallelen Schirm im Abstand l; zum Doppelspalt ein Interferenzstreifenmuster: Mittig ein sehr heller Streifen (Hauptmaximum, Maximum 0. Ordnung), links und rechts davon weitere dazu parallele, helle und dunkle Interferenzstreifen.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Interferenz bei einem optischen Beugungsgitter

Antwort anzeigen

Antwort

  • Große Zahl von gleich breiten, lichtdurchlässigen Spalten, parallel zueinander in gleichen Abständen angeordnet
  • Gitterkonstante g: Abstand der Mitten zweier benachbarter Spalte
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Frage

Wie ist die Intensitätsverteilung hinter einem Beugungsgitter?

Antwort anzeigen

Antwort

Werden N Einzelspalte von kohärentem Licht getroffen, gilt für die Intensität des gebeugten Lichts auf dem Schirm: 

  • Hauptmaxima k-ter Ordnung (Beugungswinkel ak) 
    • Lage unabhängig von N
    • Intensität proportional zu N² und abnehmend mit wachsendem k 
  • N–1 Minima und N–2 Nebenmaxima zwischen 2 Hauptmaxima
Frage anzeigen

Frage

Warum kannst du nichts auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen?

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Antwort

Je mehr du ein Objekt beschleunigst, desto größer wird seine Masse und desto mehr Energie brauchst du, um es weiter zu beschleunigen. Die Energie die du für eine Beschleunigung auf Lichtgeschwindigkeit brauchst, geht gegen unendlich.

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Frage

Wozu benutzt du den Lorentzfaktor?

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Antwort

Mit dem Lorentzfaktor kannst du die relativistischen Effekte in deiner Rechnung berücksichtigen.

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Frage

Welche Aussage macht Einsteins spezielle Relativitätstheorie bezüglich der Energie von Objekten?

Antwort anzeigen

Antwort

Nach Einsteins speziellen Relativitätstheorie besitzen alle Objekte eine sogenannte Ruheenergie, die durch ihre Masse ausgedrückt wird.

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