Physik, Bauingenieurwesen, FH Graubünden, Thomas Borer, 2022/23

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine bekannte oder neue Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form 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.
• einen experimentellen Aufbau skizzieren 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 Berkeley Madonna ein einfaches systemdynamisches Modell erstellen und damit einfache Simulationen und Parameterstudien ausführen können.
• mit der Modellierungssoftware Berkeley Madonna 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.
• verstehen, dass die Grössen Impuls und Kraft Vektorcharakter haben.
• 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.
• die drei Newton’schen Axiome in der Sprache der modernen Systemphysik kennen und verstehen.

• 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 und eine 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.

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