Physik 3, Mobile Robotics, FH Graubünden, Thomas Borer, 2025/26

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.
• aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form beschreiben, darstellen und zusammenfassen können.
• experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben 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.
• einen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.

Geometrische Optik

• wissen, dass es für Licht ein Strahlen-, ein Wellen- und ein Teilchenmodell gibt.
• die vier Axiome der geometrischen Optik kennen.
• wissen, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet.
• wissen und verstehen, dass die Lichtgeschwindigkeit im Rahmen des SI-Systems eine exakt definierte Konstante ist.
• wissen und verstehen, wie die Brechzahl eines Mediums definiert ist.
• das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz kennen und anwenden können.
• das Phänomen der Parallelverschiebung an einer planparellelen Platte kennen und mit Hilfe des Brechungsgesetzes erklären können.
• das Phänomen der Totalreflexion kennen und verstehen.
• die in einem Umlenk- bzw. Umkehrprisma auftretende Totalreflexion verstehen.
• die in einem Lichtleiter auftretende Totalreflexion verstehen.

• die allgemeine Bildentstehung bei einem optischen System im Modell der Strahlenoptik verstehen.
• wissen und verstehen, was ein reelles und ein virtuelles Bild ist.
• wissen und verstehen, wie Lichtstrahlen an einem Planspiegel, einem sphärischen Hohl- und einem sphärischen Wölbspiegel reflektiert werden.
• beurteilen können, ob ein bei einem Planspiegel, einem sphärischen Hohl- und einem sphärischen Wölbspiegel beobachtetes Bild reell oder virtuell ist.
• die Bildentstehung bei einem Planspiegel, einem sphärischen Hohl- und einem sphärischen Wölbspiegel aus dem Verlauf von einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen verstehen.
• mit Hilfe der Hauptstrahlen das Bild eines Gegenstandes bei einem sphärischen Hohl- und einem sphärischen Wölbspiegel von Hand konstruieren können.
• alle bei einem sphärischen Hohl- und einem sphärischen Wölbspiegel auftretenden Fälle für die Existenz und Eigenschaft eines Bildes kennen und verstehen.
• die Abbildungsgleichung für sphärische Spiegel kennen, verstehen und anwenden können.
• die Gleichung für die Lateralvergrösserung des Bildes bei einem sphärischen Spiegel kennen, verstehen und anwenden können.
• die Vorzeichenregeln für die in den genannten Gleichungen auftretenden Grössen kennen.
• wissen und verstehen, wie die Hauptstrahlen an einer konvexen und an einer konkaven sphärischen Oberfläche gebrochen werden.
• mit Hilfe der Hauptstrahlen das Bild eines Gegenstandes bei einer brechenden konvexen und einer brechenden konkaven sphärischen Oberfläche von Hand konstruieren können.
• beurteilen können, ob ein Bild bei einer brechenden konvexen und einer brechenden konkaven sphärischen Oberfläche reell oder virtuell ist.
• alle bei einer brechenden konvexen und einer brechenden konkaven sphärischen Oberfläche auftretenden Fälle für die Existenz und Eigenschaft eines Bildes kennen und verstehen.
• die Abbildungsgleichung für brechende sphärische Oberflächen kennen, verstehen und anwenden können.
• die Gleichung für die Lateralvergrösserung des Bildes bei einer brechenden sphärischen Oberfläche kennen, verstehen und anwenden können.
• die Vorzeichenregeln für die in den genannten Gleichungen auftretenden Grössen kennen.
• die Bildentstehung bei einer dünnen spärischen Sammel- und einer dünnen sphärischen Zerstreuungslinse verstehen.
• wissen und verstehen, wie die Hauptstrahlen an einer dünnen sphärischen Sammel- und einer dünnen sphärischen Zerstreuungslinse gebrochen werden.
• mit Hilfe der Hauptstrahlen das Bild eines Gegenstandes bei einer dünnen sphärischen Sammel- und einer dünnen sphärischen Zerstreuungslinse  von Hand konstruieren können.
• beurteilen können, ob ein Bild bei einer dünnen sphärischen Sammel- und einer dünnen sphärischen Zerstreuungslinse reell oder virtuell ist.
• alle bei einer dünnen sphärischen Sammel- und einer dünnen sphärischen Zerstreuungslinse auftretenden Fälle für die Existenz und Eigenschaft eines Bildes kennen und verstehen.
• die Abbildungsgleichung für dünne sphärische Linsen kennen, verstehen und anwenden können.
• die Gleichung für die Lateralvergrösserung des Bildes bei einer dünnen sphärischen Linse kennen, verstehen und anwenden können.
• die Vorzeichenregeln für die in den genannten Gleichungen auftretenden Grössen kennen..

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.
• die Entropiebilanz 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 Fahrnheit-Temperaturskala kennen und verstehen.
• 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 und selber zeichnen können.
• 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.
• die Grösse Dissipationsrate kennen, verstehen und bestimmen können.
• verstehen, wieviel eine Kilowattstunde Energie ist.
• einfachere Energieberechnungen ausführen können.
• das Phänomen der Entropieleitung in einem Körper kennen.
• wissen und verstehen, wovon die Stärke eines Entropiestromes in einem Körper abhängt.
• die Grösse Entropieleitfähigkeit kennen und verstehen.
• die Entropiestromstärke bei einem Entropieleitungsvorgang bestimmen können.
• wissen und verstehen, was ein konvektiver Entropietransport ist.
• beurteilen können, ob es sich bei einem gegebenen Entropietransport um Entropieleitung oder um einen konvektiven Entropietransport handelt.
• wissen und verstehen, wie ein Wärmemotor grundsätzlich funktioniert.
• Beispiele von Wärmemotoren und deren Entropiequellen kennen.
• den Energieumladevorgang in einem Wärmemotor verstehen.
• wissen, von welchen Grössen die in einem Körper enthaltene Entropie abhängt.
• die Grösse Erwärmbarkeit kennen, verstehen und bestimmen können.
• den Zusammenhang zwischen einer Temperaturänderung eines Körpers und der dafür notwendigen Änderung der im Körper gespeicherten Entropie kennen, verstehen und anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen einer Temperaturänderung eines Körpers und der dafür notwendigen Änderung der im Körper zusammen mit der Entropie gespeicherten Energie kennen, verstehen und anwenden können.
• die Grösse Spezifische Energiekapazität kennen und verstehen.

• das Phänomen des Drucks in einem Fluid kennen.
• die Definition der Grösse Druck kennen und verstehen.
• die gebräuchlichen Druckeinheiten und deren Zusammenhänge kennen.
• die grundlegenden Eigenschaften des Drucks in einer Flüssigkeit kennen.
• den Zusammenhang zwischen dem Druck in einer Flüssigkeit und der Eintauchtiefe kennen, verstehen und anwenden können.
• den Begriff Schweredruck kennen und verstehen.
• das hydraulische Prinzip in einer Flüssigkeit kennen, verstehen und anwenden können.
• die grundlegenden Eigenschaften des Drucks in einem Gas kennen.
• den Zusammenhang zwischen dem Luftdruck in der Erdatmosphäre und der Höhe über dem Meeresspiegel kennen und anwenden können.
• das Phänomen der thermischen Ausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten kennen.
• die Beziehung zwischen einer Temperaturänderung und einer Längenänderung kennen und anwenden können.
• wissen und verstehen, was ein Längenausdehnungskoeffizient ist.
• die Beziehung zwischen einer Temperaturänderung und einer Volumenänderung kennen und anwenden können.
• wissen und verstehen, was ein Volumenausdehnungskoeffizient ist.
• den Zusammenhang zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten und dem Volumenausdehnungskoeffizienten kennen und verstehen.
• die Definition des idealen Gases kennen.
• die allgemeine Zustandsgleichung des idealen Gases kennen, verstehen und anwenden können.
• die Darstellung von Isothermen in einem Druck-Volumen-Diagramm eines idealen Gases kennen, verstehen und anwenden können.
• den Begriff Partialdruck kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen Partialdrücken und dem Gesamtdruck in einem Gasgemisch kennen, verstehen und anwenden können.

• die Brown’sche Bewegung von Gasteilchen kennen.
• die Mittelwerte der Geschwindigkeitskomponenten, der Quadrate der Geschwindigkeitskomponenten und des Quadrates des Geschwindigkeitsbetrages eines Gasteilchens in einem idealen Gas kennen, unterscheiden und bestimmen können.
• die molekulare Deutung des Druckes in einem Gas kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der mittleren kinetischen Energie eines Gasteilchens und der Temperatur in einem idealen Gas kennen und anwenden können.
• den Gleichverteilungssatz kennen und verstehen.
• die Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung in einem Gas kennen, verstehen und anwenden können.
• die Unterschiede zwischen einem idealen und einem realen Gas kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, wie die allgemeine Zustandsgleichung des idealen Gases korrigiert werden muss, um eine zutreffenderer Zustandsgleichung für ein reales Gas zu erhalten.
• die Van-der-Waals’sche Zustandsgleichung für reale Gase kennen, verstehen und anwenden können.
• die Druck-Volumen-Isothermen eines realen Gases kennen und verstehen.
• die Bedeutung des kritischen Punktes bei einem realen Gas kennen und verstehen.

• den Unterschied der Verwendung des Wärmebegriffs im Karlsruher Physikkurs und in herkömmlichen Physikkursen kennen und verstehen.
• grundsätzlich wissen und verstehen, was eine Wärmekapazität ist.
• die Grösse Spezifische Wärmekapazität kennen und verstehen.
• die Grösse Molare Wärmekapazität kennen und verstehen.
• die Vorzeichenregelung für die ausgetauschte Wärme kennen, verstehen und richtig anwenden können.
• das Grundprinzip der Kalorimetrie kennen und verstehen.
• die Energiebilanz bei kalorimetrischen Problemstellungen richtig aufstellen können.
• einfachere kalorimetrische Problemstellungen bearbeiten können.
• wissen und verstehen, was Phasen und Phasenübergänge sind.
• die drei elementaren Phasen einer Substanz kennen.
• den Verlauf der Temperatur einer Substanz bei einer Wärmezufuhr kennen und verstehen, falls während der Wärmezufuhr Phasenübergänge auftreten.
• die Grössen Schemelzwärme und Spezifischen Schmelzwärme sowie Verdampfungswärme und Spezifische Verdampfungswärme kennen und verstehen.
• einfachere kalorimetrische Problemstellungen beim Auftreten von Phasenübergängen bearbeiten können.
• wissen und verstehen, was ein Phasendiagramm einer Substanz darstellt.

• den ersten Hauptsatz der Thermodynamik kennen, verstehen und anwenden können.
• die Vorzeichenregelung für die im ersten Hauptsatz der Thermodynamik auftretenden Grössen kennen, verstehen und richtig anwenden können.
• wissen und verstehen, was die innere Energie eines idealen Gases ist.
• wissen und verstehen, was ein Freiheitsgrad ist.
• wissen und verstehen, wieviele Freiheitsgrade ein ideales Gas und ein Festkörper hat.
• wissen und verstehen, was eine Volumenarbeit ist.
• wissen und vertehen, was eine isochore, isobare, isotherme und adiabatische Zustandsänderung ist.
• die Volumenarbeit an einem idealen Gas bei einer isochoren, isobaren, isothermen und adiabatischen.
• Zustandsänderung bestimmen können.
• die einem idealen Gas zugeführte Wärme bei einer isochoren, isobaren, isothermen und adiabatischen Zustandsänderung bestimmen können.
• den Gleichverteilungssatz kennen und bei Festkörpern und idealen Gasen anwenden können.
• wissen und verstehen, dass die molare Wärmekapazität aller Metalle nahezu gleich gross ist.
• bei der molaren Wärmekapazität eines idealen Gases den Unterschied zwischen einer isochoren und einer isobaren Zustandsänderung kennen und verstehen.
• die Zusammenhänge zwischen Druck, Volumen und Temperatur bei einer adiabatischen Zustandsänderung kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, dass im Druck-Volumen-Diagramm die Adiabaten steiler verlaufen als die Isothermen.

• den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen, was eine Wärme-Kraft-Maschine ist, und verstehen, wie sie grundsätzlich funktioniert.
• den Wirkungsgrad einer Wärme-Kraft-Maschine kennen, verstehen und bestimmen können.
• wissen, was eine Wärme- und eine Kältemaschine ist, und verstehen, wie sie grundsätzlich funktioniert.
• die Leistungszahl einer Wärmemaschine und einer Kältemaschine kennen, verstehen und bestimmen können.
• wissen und verstehen, was ein Kreisprozess ist.
• einen Kreisprozess eines idealen Gases, der aus isochoren, isobaren, isothermen und adiabatischen Teilprozessen besteht, mit Hilfe der allgemeinen Zustandsgleichung für das ideale Gas und des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik qualitativ und quantitativ analysieren können.
• wissen, wie ein Otto-Motor grundsätzlich funktioniert.
• den Otto-Kreisprozess und dessen Teilprozesse qualitativ und quantitativ analysieren können.
• wissen, wie ein Diesel-Motor grundsätzlich funktioniert.
• den Diesel-Kreisprozess und dessen Teilprozesse qualitativ und quantitativ analysieren können.

• wissen und verstehen, was reversible und irreversible Prozesse sind.
• wissen, dass bei einem irreversiblen Prozess Energie dissipiert, d.h. Entropie erzeugt wird.
• den Carnot-Kreisprozess kennen, verstehen und analysieren können.
• Energiegrössen in einem Carnot-Kreisprozess bestimmen können.
• wissen und verstehen, wovon der Carnot-Wirkungsgrad einer idealen Wärme-Kraft-Maschine bzw. die Carnot-Leistungsziffer einer idealen Wärme-/Kältemaschine abhängt.
• wissen, dass der Carnot-Wirkungsgrad bzw. die Carnot-Leistungsziffer der theoretische Höchstwert für den Wirkungsgrad bzw. die Leistungsziffer einer thermischen Maschine ist.
• Wirkungsgrade bzw. Leistungsziffern von realen thermischen Maschinen mit dem Carnot-Wirkungsgrad bzw. der Carnot-Leistungsziffer vergleichen können.

• die drei Arten der Wärmeübertragung kennen.
• wissen, dass auch andere physikalische Grössen als die Wärme auf drei Arten übertragen werden können.
• wissen und verstehen, wie die Wärmeleitung grundsätzlich funktioniert.
• die Grössen Wärmeleitfähigkeit, Wärmewiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient kennen und verstehen.
• wissen, wie der Ersatz-Wärmewiderstand bei seriell und parallel angeordneten Widerstandselementen mit den einzelnen Wärmewiderständen zusammenhängt.
• einfachere Problemstellungen zur Wärmeleitung bearbeiten können.
• wissen und verstehen, wie die Wärmeströmung bzw. Konvektion grundsätzlich funktioniert.
• wissen und verstehen, wie die Wärmestrahlung grundsätzlich funktioniert.
• das Stefan-Boltzmann-Gesetz zur Wärmestrahlung kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen, was ein schwarzer Körper ist.
• das Planck’sche Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers qualitativ kennen.
• das Wien’sche Verschiebungsgesetz kennen, verstehen und anwenden können.
• einfachere Problemstellungen zur Wärmestrahlung bearbeiten können.
  

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