Lernziele
Allgemein
- eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten
können.
- eine Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
- sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten
können.
- einen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
- Erkenntnisse in geeigneter Form beschreiben, darstellen und zusammenfassen können.
- Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich
dokumentieren können.
- physikalische Gesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
- Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer
Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
- die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
- eine einfachere Überschlagsrechnung ausführen können.
- experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
- aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.
- wissen und verstehen, was die Änderungsrate einer Grösse ist.
Mechanik
- mit der Modellierungssoftware Insight Maker ein einfaches systemdynamisches Modell erstellen und damit einfache Simulationen und Parameterstudien ausführen können.
- mit der Modellierungssoftware Insight Maker ein systemdynamisches Modell erstellen können, das ein experimentell bestimmtes Verhalten eines dynamischen Systems beschreibt.
- wissen, dass sich die Bewegung eines Körpers aus einer Translation
des Schwerpunktes und einer Rotation um eine Achse durch den Schwerpunkt zusammensetzt.
- den Impuls bzw. Schwung als mengenartige Grundgrösse der Translations-Mechanik
verstehen.
- wissen, dass Impuls in einem Körper gespeichert werden kann.
- verstehen, dass in einem Körper Impuls gespeichert sein muss, damit
er sich bewegen kann.
- wissen, dass Impuls in einen Körper hinein oder aus ihm heraus fliessen
kann.
- wissen, dass Impuls weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
- den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers
kennen und verstehen.
- die Eigenschaften des Impulses und den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers bei der Bearbeitung von konkreten Problemstellungen anwenden können.
- verstehen, was ein Impulsstrom ist.
- den Zusammenhang zwischen einem Impulsstrom und einer Kraft verstehen.
- Impulsströme in konkreten Situationen korrekt einzeichnen können.
- die Regeln für die Richtungen von Impulsströmen und Kräften kennen und anwenden können.
- in konkreten Situationen Wechselwirkungskräfte, d.h. Actio-Reactio-Kräftepaare erkennen können.
- wissen und verstehen, was eine Impulsänderungsrate ist.
- die Impulsbilanz bzw. das Aktionsprinzip kennen, verstehen
und anwenden können.
- die an einem Körper angreifenden Kräfte erkennen und korrekt einzeichnen
können.
- den Impuls als Energieträger verstehen.
- den Zusammenhang zwischen dem Impulsstrom und dem Energiestrom kennen, verstehen und bei der Analyse und beim Lösen von konkreten Problemstellungen anwenden können.
- den mathematischen Ausdruck für die in einem Körper mit dem Impuls
gespeicherte kinetische Energie kennen, verstehen und anwenden können.
- den mathematischen Ausdruck für die in einem Körper gespeicherte potentielle Energie kennen, verstehen und anwenden können.
- wissen, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
- wissen und verstehen, was Energiedissipation ist.
- die Impuls- und Energiebilanz in konkreten Problemstellungen anwenden
können.
- den Drehimpuls bzw. Drehschwung als mengenartige Grundgrösse der Rotations-Mechanik
verstehen.
- die Analogie zwischen Impuls und Drehimpuls sowie zwischen Geschwindigkeit
und Winkelgeschwindigkeit kennen und verstehen.
- wissen, dass Drehimpuls in einem Körper gespeichert werden kann.
- verstehen, dass in einem Körper Drehimpuls gespeichert sein muss, damit
er sich drehen kann.
- wissen, dass Drehimpuls in einen Körper hinein oder aus ihm heraus
fliessen kann.
- wissen, dass Drehimpuls weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
- verstehen, was ein Drehimpulsstrom ist.
- den Zusammenhang zwischen einem Drehimpulsstrom und einem Drehmoment verstehen.
- wissen und verstehen, was eine Drehimpulsänderungsrate ist.
- die Drehimpulsbilanz bzw. das Aktionsprinzip der Rotations-Mechanik kennen, verstehen und anwenden können.
- wissen, was die Wirkungslinie einer Kraft ist.
- wissen und verstehen, dass sich die Wirkung einer Kraft nicht ändert, wenn man die
Kraft auf ihrer Wirkungslinie verschiebt.
- wissen, wie die Wirkung einer Kraft von der Lage der Wirkungslinie und
dem Betrag der Kraft abhängt.
- die Grösse Drehmoment kennen.
- die Analogie zwischen Kraft und Drehmoment kennen und verstehen.
- das Drehmoment einer Kraft bestimmen können.
- die Wirkung von Kräften beurteilen können, die an einem starren
Körper angreifen.
- verstehen, dass der Drehimpuls eines Körpers von Masse, Massenverteilung
und Winkelgeschwindigkeit abhängt.
- verstehen, was das Trägheitsmoment eines Körpers ist.
- die Analogie zwischen Trägheitsmoment und Masse kennen und verstehen.
- das Trägheitsmoment eines einfacheren Körpers bestimmen können.
- den Zusammenhang zwischen Drehimpuls, Trägheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit
kennen und verstehen.
- den Drehimpuls als Energieträger verstehen.
- wissen, dass sich die totale kinetische Energie eines starren Körpers
aus der Translations- und der Rotationsenergie zusammensetzt.
- die Translationsenergie, die Rotationsenergie und die totale kinetische Energie eines einfacheren Körpers
bestimmen können.
- wissen und verstehen, wie der Schwerpunkt eines Körpers definiert ist.
- wissen und verstehen, wie eine an einem starren Körper angreifende Einzelkraft in eine am Schwerpunkt angreifende Einzelkraft und ein Kräftepaar zerlegt werden kann.
- wissen, dass ein an einem starren Körper angreifendes Kräftesystem auf eine am Schwerpunkt angreifende Einzelkraft und ein Kräftepaar zurückgeführt werden kann.
- die Bedingungen für das statische Gleichgewicht eines starren Körpers kennen, verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
- die Abhängigkeit des resultierenden Drehmoments der an einem starren Körper angreifenden Kräfte vom Bezugspunkt kennen und verstehen.
Schwingungen
- verstehen, was eine Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Periodendauer und die Frequenz einer Schwingung sind.
- wissen, dass bei einer mechanischen Schwingung Impuls und Energie zwischen Teilsystemen hin und her fliessen.
- die bei einer mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
- wissen, was eine harmonische Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Amplitude, die Anfangsphase und die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung sind.
- die Zusammenhänge zwischen Winkelgeschwindigkeit, Frequenz und Kreisfrequenz kennen und verstehen.
- die zeitlichen Verläufe von Ort, Geschwindigkeit, Impuls und Energie eines harmonischen Federschwingers kennen und deren Zusammenhänge verstehen.
- die an einem Körper angreifenden Kräfte korrekt einzeichnen können.
- beurteilen können, ob eine Schwingung eine harmonische Schwingung ist oder nicht.
- wissen und verstehen, dass die Schwingung eines Federschwingers harmonisch ist.
- wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Federschwingers beeinflussen.
- wissen, dass die Schwingung eines Pendels nicht harmonisch ist.
- wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Pendels beeinflussen.
- die Analogie zwischen einer Drehschwingung und einer linearen Schwingung kennen.
- verstehen, wie eine Schwingung gedämpft werden kann.
- verstehen, wie ein mechanischer Dämpfer funktioniert.
- verstehen, dass alle natürlich ablaufenden Schwingungen gedämpft sind.
- wissen, wie die Stärke der Dämpfung die Bewegung eines Schwingers beeinflusst.
- die bei einer mechanischen, gedämpften Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
- verstehen, was eine erzwungene Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Eigenfrequenz eines Schwingers, ein Erreger und die Erregerfrequenz sind.
- die bei einer erzwungenen mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und
Energieflüsse verstehen.
- wissen und verstehen, dass bei einer erzwungenen Schwingung die im zeitlichen
Mittel vom Erreger zum Schwinger fliessende Energie im Dämpfer dissipiert
wird.
- wissen, von welchen Grössen die Energie abhängt, die bei einer
erzwungenen Schwingung im Dämpfer im zeitlichen Mittel dissipiert wird.
- wissen, dass eine erzwungene Schwingung einen Einschwingvorgang durchläuft.
- aus einem grafisch dargestellten zeitlichen Verlauf einer Schwingungsgrösse
den Einschwingvorgang und die stationäre Phase einer erzwungenen Schwingung
erkennen können.
- wissen, dass bei einer sinusförmig angeregten erzwungenen Schwingung
die Frequenz in der stationären Phase gleich gross ist wie die Erregerfrequenz.
- das Phänomen Resonanz kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, was eine Resonanzkurve ist.
- den qualitativen Verlauf einer Resonanzkurve kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, dass bei Resonanz der zeitlich gemittelte Energiestrom
vom Erreger zum Schwinger maximal ist.
- wissen und verstehen, von welchen Grössen die Resonanzfrequenz abhängt.
Wellen
- verschiedene Typen von Wellen kennen.
- wissen und verstehen, wie eine Welle entsteht.
- wissen und verstehen, was der Träger einer Welle ist.
- die Bewegungen von Welle und Wellenträger unterscheiden können.
- wissen und verstehen, was eine Quer-/Transversalwelle und eine Längs-/Longitudinalwelle ist.
- wissen und verstehen, dass sich in Gasen nur Longitudinalwellen ausbreiten können.
- wissen und verstehen, dass sich in flüssigen und festen Körpern sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen ausbreiten können.
- wissen, wovon die Geschwindigkeit einer Welle abhängt.
- wissen und verstehen, dass der Wellenträger ein-, zwei oder dreidimensional sein kann.
- wissen und verstehen, was eine Wellenfront ist.
- wissen und verstehen, was eine lineare Welle, gerade Welle, Kreiswelle, ebene Welle und Kugelwelle ist.
- die Zusammenhänge zwischen Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz, Wellenlänge, Wellenzahl und Ausbreitungsgeschwindigkeit kennen und anwenden können.
- wissen und verstehen, was eine Sinuswelle oder harmonische Welle ist.
- die mathematische Beschreibung einer eindimensionalen Sinuswelle kennen, verstehen und anwenden können.
- den Träger einer Schallwelle kennen.
- wissen und verstehen, dass Schallwellen in Gasen und Flüssigkeiten Longitudinalwellen sind.
- wissen und verstehen, dass sich in festen Körpern sowohl longitudinale als auch transversale Schallwellen ausbreiten können.
- wissen und verstehen, wie die Energiestromdichte und die Intensität definiert sind.
- den Zusammenhang zwischen der Intensität und der Amplitude einer Schwingungsgrösse kennen und anwenden können.
- für eine von einem punktförmigen Sender abgestrahlte Welle den Zusammenhang zwischen der Intensität und dem Abstand vom Sender kennen und verstehen.
- das Prinzip der ungestörten Überlagerung von Wellen kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, was konstruktive und destruktive Interferenz ist.
- die Überlagerung zweier in gleiche Richtung bzw. gegeneinander laufender Wellen beschreiben können und verstehen.
- wissen und verstehen, was ein Gangunterschied ist.
- die Interferenz zweier schräg zueinander laufender gleicher Sinuswellen verstehen.
- wissen, wie die Energie im Überkreuzungsbereich zweier Sinuswellen fliesst.
- wissen, wie eine Welle an einem festen und freien Ende eines Wellenträgers reflektiert wird.
- verstehen, wie eine stehende Welle entsteht.
- ausgewählte einfachere Problemstellungen zur Interferenz bearbeiten können.
- eine stehende Welle auf einem eindimensionalen Wellenträger als Überlagerung zweier entgegenlaufender Wellen verstehen.
- verstehen, dass sich auf einem endlichen Wellenträger nur bei bestimmten Frequenzen eine stehende Welle bzw. eine Eigenschwingung bildet.
- den Zusammenhang zwischen der Länge eines eindimensionalen Wellenträgers und den Wellenlängen bzw. Frequenzen der möglichen Eigenschwingungen verstehen und anwenden können.
- die mathematische Beschreibung einer stehenden Welle bzw. Eigenschwingung kennen, verstehen und anwenden können.
- Beispiele von stehenden Wellen kennen.
- das Huygens’sche Prinzip kennen, verstehen und anwenden können.
- das Phänomen der Beugung kennen und mit Hilfe des Huygens’schen Prinzips erklären können.
- den Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Beugung einer Welle, der Wellenlänge und den Abmessungen des beugenden Objektes kennen.
- das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz kennen.
- das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz in konkreten Problemstellungen anwenden können.
- das Phänomen der Totalreflexion kennen und verstehen.
Thermodynamik
- die Entropie als mengenartige Grundgrösse der Thermodynamik verstehen.
- wissen, dass Entropie in einem Körper gespeichert werden kann.
- wissen, dass Entropie in einen Körper hinein oder aus ihm heraus fliessen kann.
- wissen und verstehen, wie eine Wärmepumpe grundsätzlich funktioniert.
- wissen, dass Entropie erzeugt, jedoch nicht vernichtet werden kann.
- wissen und verstehen, dass sich unumkehrbare Vorgänge dadurch auszeichnen, dass dabei Entropie erzeugt wird.
- wissen und verstehen, was Entropiestromstärke, Entropieerzeugungsrate und Entropieänderungsrate sind.
- die Entropiebilanz kennen, verstehen und anwenden können.
- den Unterschied zwischen den Grössen Entropie und Temperatur verstehen.
- eine Temperaturdifferenz als Antrieb eines Entropiestromes verstehen.
- wissen und verstehen, dass es einen absoluten Temperaturnullpunkt gibt.
- den Zusammenhang zwischen der absoluten Temperaturskala, der Celsius-Temperaturskala und der Fahrenheit-Temperaturskala kennen und verstehen.
- das Phänomen der Entropieleitung in einem Körper kennen.
- die Entropie als Energieträger verstehen.
- den Zusammenhang zwischen der Entropiestromstärke und der dazugehörigen Energiestromstärke kennen.
- den Unterschied zwischen einer Energiestromstärke und einer Prozessleistung kennen und verstehen.
- Systemdiagramme bzw. Energieflussbilder von einfacheren Energieumladern verstehen.
- einfachere Energieberechnungen ausführen können.
- wissen und verstehen, dass bei der Entropieleitung durch einen Wärmewiderstand Entropie erzeugt wird.
- die Entropieerzeugungsrate bei einem einfacheren Entropieleitungsvorgang bestimmen können.
- wissen, wie der Energiedurchgangskoeffizient definiert ist.
- wissen und verstehen, dass Energieverluste typischerweise auf Entropieerzeugung beruhen.
- den Unterschied zwischen idealen und realen Energieumladern kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, wie der Wirkungsgrad eines Energieumladers definiert ist.
- wissen und verstehen, was eine Dissipationsrate ist.
14.8.2024 tb