Physik 1, Bau und Gestaltung, HTW Chur, Thomas Borer, 2010/11

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine Problemstellung selbstständig und in einer Gruppe diskutieren und bearbeiten können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse erarbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form 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.
• einem Film relevante Informationen entnehmen können.
• wissen und verstehen, was die Änderungsrate einer Grösse ist.
• einige physikalische Grundgesetze und Grundformeln auswendig kennen, siehe > Formelsammlung A (auswendig)

Mechanik

• verstehen, was Messen grundsätzlich bedeutet.
• verstehen, wie sich eine physikalische Grösse aus einer Masszahl und einer Masseinheit zusammensetzt.
• wissen, dass und warum es das SI-Einheitensystem gibt.
• die wichtigsten SI-Basiseinheiten kennen.
• einige abgeleitete SI-Einheiten kennen.
• einfache physikalische Grössen in SI-Basiseinheiten angeben können.
• die Vorsätze und Zeichen der wichtigsten dezimalen Vielfache und Teile von Einheiten kennen.
• einfache physikalische Grössen in sinnvollen dezimalen Vielfachen oder Teilen von SI-Basiseinheiten angeben können.
• die Zehnerpotenzdarstellung physikalischer Grössen kennen.
• physikalische Grössen in der Zehnerpotenzdarstellung angeben können.
• den Unterschied zwischen einem systematischen und einem zufälligen bzw. statistischen Fehler verstehen.
• den Messfehler bei einfachen Messgrössen abschätzen können.
• verstehen, was signifikante Stellen sind.
• die Anzahl signifikanter Stellen aus der Masszahl einer physikalischen Grösse herauslesen können.
• die Genauigkeit einer aus gemessenen Grössen berechneten Grösse beurteilen können.
• eine gemessene bzw. aus gemessenen Grössen berechnete Grösse mit der ihrer Ungenauigkeit angemessenen Anzahl signifikanter Stellen oder Dezimalstellen angeben können.
• den Mittelwert, die Standardabweichung und den relativen Fehler einer in einer Messserie ermittelten Grösse bestimmen können.

• 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.
• den Zusammenhang zwischen der Impulsstromstärke und dem geflossenen Impuls verstehen und anwenden können.
• 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.
• das Impulsbilanzgesetz bzw. das Grundgesetz der Mechanik kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, was eine Impulsänderungsrate ist.
• den Zusammenhang zwischen der Impulsänderungsrate und der Impulsänderung anwenden können.
• verstehen, dass die Grössen Impuls und Kraft Vektorcharakter haben.
• die an einem Körper angreifenden Kräfte erkennen und korrekt einzeichnen können.
• das Grundgesetz der Mechanik bei der Bearbeitung von zwei- und dreidimensionalen Problemen anwenden 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, was Energiedissipation ist.
• die Impuls- und Energieerhaltung in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die Grössen zur Beschreibung einer Kreisbewegung und deren Zusammenhänge kennen.
• die Frequenz, Winkelgeschwindigkeit, Bahngeschwindigkeit für eine gleichförmige Kreisbewegung bestimmen können.
• wissen und verstehen, dass auf einen Körper, der eine gleichförmige Kreisbewegung ausführt, als resultierende Kraft eine Zentripetalkraft wirkt.
• den Zusammenhang zwischen Zentripetalkraft, Masse, Winkelgeschwindigkeit und Bahnradius kennen und anwenden können.
• Problemstellungen zur gleichförmigen Kreisbewegung bearbeiten können.
• verstehen, was ein Bezugssystem ist.
• verstehen, was ein Inertialsystem ist.
• wissen und verstehen, was das Laborsystem ist.
• einen einfacheren Vorgang bezüglich verschiedener Bezugssysteme beschreiben können.
• verstehen, was Trägheits- bzw. Scheinkräfte sind.
• wissen und verstehen, dass die Zentrifugalkraft eine Scheinkraft ist.
• Auswirkungen der Corioliskraft in der Natur kennen und verstehen.

• den Drehimpuls bzw. Drehschwung als mengenartige Grundgrösse der Rotations-Mechanik 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, dass der Drehimpuls ein Vorzeichen trägt.
• verstehen, wie der Drehimpuls eines Körpers von Masse, Massenverteilung und Winkelgeschwindigkeit abhängt.
• verstehen, wie Drehimpuls gespeichert werden kann.
• verstehen, wie Drehimpuls transportiert werden kann.
• den Zusammenhang zwischen dem Drehimpulsstrom in einem festen Körper und der Verdrillung des Körpers verstehen.
• verstehen, wie Drehimpuls in einer Flüssigkeit, in einem Gas, mittels eines Magnetfeldes transportiert werden kann.
• Drehimpulsstromkreise erkennen können.
• die Analogie zwischen Impuls und Drehimpuls sowie zwischen Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit kennen und verstehen.
• das Drehimpulsbilanzgesetz bzw. das Grundgesetz der Rotations-Mechanik kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen, was die Wirkungslinie einer Kraft ist.
• wissen, 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.
• den Zusammenhang zwischen einem Drehimpulsstrom und einem Drehmoment verstehen.
• das Drehmoment einer Kraft bestimmen können.
• die Wirkung von Kräften beurteilen können, die an einem starren Körper angreifen.
• verstehen, was ein Kraft-"Wandler", ein Drehmoment-"Wandler" ist.
• beurteilen können, ob eine einfache Maschine ein Kraft-"Wandler" oder ein Drehmoment-"Wandler" ist.
• mindestens je ein Beispiel eines Kraft-"Wandlers" und eines Drehmoment-"Wandlers" kennen.
• beurteilen können, welche Teile einer Maschine Kraft- bzw. Drehmoment-"Wandler" sind.
• den Zusammenhang zwischen Kraft und Drehmoment bei einem Motor verstehen.
• 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 Translations- und die Rotationsenergie eines einfacheren Körpers bestimmen können.
• wissen und verstehen, wie der Schwerpunkt eines Körpers definiert ist.
• die Koordinaten des Schwerpunktes eines Körpers mit diskreter Massenverteilung bestimmen können.
• wissen und verstehen, was ein Kräftepaar ist.
• die Wirkung eines Kräftepaares kennen und verstehen.
• ein an einem starren Körper angreifendes einfacheres Kräftesystem durch eine Einzelkraft und ein Kräftepaar ersetzen können.

• das Phänomen Druck kennen.
• die Definition und die Masseinheiten der Grösse Druck kennen.
• wissen, dass der Druck in einer Flüssigkeit isotrop wirkt.
• den Unterschied zwischen einem Absolutdruck und einem Überdruck verstehen.
• einen Druck bzw. eine Druckkraft berechnen können.
• wissen, ob eine Flüssigkeit bzw. ein Gas kompressibel ist oder nicht.
• die Ursache für den Schweredruck in einer Flüssigkeit oder in einem Gas verstehen.
• den Verlauf des Schweredruckes in einer Flüssigkeit und in einem Gas kennen.
• den Schweredruck in einer bestimmten Tiefe einer bestimmten Flüssigkeit bestimmen können.
• die Funktionsweise eines Flüssigkeits-Barometers verstehen.
• verstehen, warum bei einem Flüssigkeits-Barometer Quecksilber verwendet wird und nicht Wasser.
• die barometrische Höhenformel anwenden können.
• das Phänomen Auftrieb kennen.
• die Ursache des Auftriebes in einer Flüssigkeit oder in einem Gas verstehen.
• wissen und verstehen, wie gross die Auftriebskraft ist.
• verstehen, unter welchen Bedingungen ein in eine Flüssigkeit eingetauchter Körper schwimmt, absinkt oder auftaucht.
• die Auftriebskraft in einer Flüssigkeit oder in einem Gas bestimmen können.
• das Phänomen der Kohäsion zwischen Flüssigkeitsmolekülen kennen und verstehen.
• das Phänomen der Adhäsion zwischen Flüssigkeitsmolekülen und Gefässwänden kennen und verstehen.
• den Begriff der Oberflächenspannung kennen.
• das Zusammenwirken von Kohäsion und Adhäsion verstehen.

Schwingungen

• verstehen, was eine Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Periodendauer, die Frequenz einer Schwingung ist.
• 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, wie die Federkonstante einer Feder definiert ist.
• verstehen, wie die in einer Feder gespeicherte Energie von der Auslenkung der Feder abhängt.
• den Zusammenhang zwischen der Schwingung eines Federschwingers und einer gleichförmigen Kreisbewegung verstehen.
• wissen, was eine harmonische Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Amplitude, die Anfangsphase, die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung ist.
• 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.
• wissen, dass bei einer harmonischen Schwingung die "rücktreibende Kraft" proportional zum Ort ist.
• die einen Körper betreffenden Impulsströme und Kräfte korrekt einzeichnen können.
• beurteilen können, ob eine Schwingung eine harmonische Schwingung ist oder nicht.
• wissen und verstehen, ob die Schwingung eines Fadenpendels harmonisch ist oder nicht.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Federschwingers beeinflussen.
• verstehen, dass die Schwingung eines Fadenpendels keine harmonische Schwingung ist.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Fadenpendels beeinflussen.
• die Analogie zwischen einer Drehschwingung und einer linearen Schwingung kennen und verstehen.
• wissen, wie das Direktionsmoment einer Spiralfeder definiert ist.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer einer Drehschwingung beeinflussen.
• 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.
• die mathematische Beschreibung des zeitlichen Verlaufes einer gedämpften Schwingung kennen und verstehen.
• verstehen, was eine erzwungene Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Eigenfrequenz eines Schwingers, ein Erreger, die Erregerfrequenz ist.
• 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 mathematische Modell zur Beschreibung einer erzwungenen mechanischen Schwingung kennen und verstehen.
• 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.
• wissen und verstehen, was es braucht, damit eine Schwingung aufrecht erhalten werden kann.
• wissen und verstehen, dass eine Summe von Sinusfunktionen gleicher Frequenz eine Sinusfunktion dieser gleichen Frequenz ist.
• wissen und verstehen, dass sich eine periodische Funktion darstellen lässt als Summe von Sinusfunktionen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Frequenz der periodischen Funktion sind.
• wissen und verstehen, was eine Zeitfunktion, eine Spektralfunktion, ein Spektrum ist.
• wissen, dass das Spektrum einer periodischen Funktion diskret ist.
• wissen, dass das Spektrum einer aperiodischen Funktion kontinuierlich ist.
• wissen und verstehen, was ein Doppelschwinger, ein Mehrfachschwinger ist.
• wissen und verstehen, was eine Eigenschwingung, eine Eigenfrequenz eines Doppelschwingers, eines Mehrfachschwingers ist.
• das Spektrum eines Doppelschwingers, eines Mehrfachschwingers kennen und verstehen.
• wissen, dass ein N-fachschwinger N verschiedene Eigenfrequenzen hat und N verschiedene Eigenschwingungen ausführen kann.
• die Eigenschwingungen eines Mehrfachschwingers beschreiben und charakterisieren können.
• den Zusammenhang zwischen Trägheit und Elastizität bei einem schwingungsfähigen System verstehen.
• beurteilen können, ob bei einem schwingungsfähigen System Trägheit und Elastizität getrennt sind oder nicht.
• Beispiele von schwingungsfähigen Systemen, bei welchen Trägheit und Elastizität nicht mehr getrennt sind, kennen und deren Eigenschwingungen beschreiben und charakterisieren können.
• wissen, was die Grundschwingung und die Oberschwingungen eines schwingungsfähigen Systems sind.
• bei einem in Resonanz stehenden schwingungsfähigen System erkennen können, welche Eigenschwingung angeregt ist.
• wissen und verstehen, wie sich der Ton eines Saiten- oder Blasinstrumentes aus Grundschwingung und Oberschwingungen zusammensetzt.
• den Zusammenhang zwischen den Eigenfrequenzen bei einem Federseil, bei einem Saiten- oder Blasinstrument kennen.
• die bei der Bewegung eines Systems gekoppelter Pendel auftretenden Impuls- und Energieflüsse kennen und verstehen.

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