Physik 1, Ingenieurbau/Architektur, HTW Chur, Thomas Borer, 2016/17

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.
• 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.
• die allgemeinen Zusammenhänge zwischen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung kennen.
• wissen und verstehen, dass eine gleichförmige Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist.
• wissen und verstehen, dass bei einer gleichförmigen Kreisbewegung eines Körpers die Beschleunigung des Körpers und folglich die resultierende Kraft, d.h. die Summe aller auf den Körper wirkenden Kräfte in Richtung des Kreismittelpunktes gerichtet ist.
• wissen, dass die resultierende Kraft bei einer gleichförmigen Kreisbewegung häufig als Zentripetalkraft bezeichnet wird.
• bei einer gleichförmigen Kreisbewegung den Zusammenhang zwischen resultierender Kraft, Masse, Winkelgeschwindigkeit und Kreisbahnradius 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.
• 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.
• 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 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.
• 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.
• die Bedingungen für das statische Gleichgewicht eines starren Körpers kennen und verstehen.
• die Abhängigkeit des resultierenden Drehmoments der an einem starren Körper angreifenden Kräfte vom Bezugspunkt kennen und verstehen.

• 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.
• ...

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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