Physik, Technische Berufsmatura, Thomas Borer, HTW Chur, 2001/02

Lernziele

Allgemein

• durch das Studium eines Textes neue Sachverhalte erarbeiten können.
• neue Sachverhalte analysieren können.
• selbstständig und in Gruppen Lösungswege diskutieren können.
• Lösungswege übersichtlich, vollständig und verständlich dokumentieren können.
• Aussagen und Beziehungen in einer Problemstellung als Gleichungen formulieren können.
• physikalische Gesetze in konkreten Aufgabenstellungen anwenden können.
• mit dem Computerprogramm DYNASYS ein einfaches systemdynamisches Modell erstellen und abändern können.
• mit dem Computerprogramm DYNASYS einfache Simulationen ausführen können.
• mit dem Computerprogramm DYNASYS ein systemdynamisches Modell erstellen können, das ein experimentell bestimmtes Verhalten eines dynamischen Systems beschreibt.
• experimentell ermittelte Daten auswerten und grafisch darstellen können.
• einen grafischen Zusammenhang analytisch darstellen können.

Dynamische Prozesse

• verstehen, was ein dynamisches System ist.
• einige Beispiele von Systemen aus der Natur, der Technik und dem Alltag kennen.
• Systeme und Abläufe in Systemen beschreiben können.
• Beispiele von dynamischen Prozessen in der Natur kennen.
• die Begriffe "mengenartige Grösse" und "Niveaudifferenz" kennen und verstehen.
• den Unterschied zwischen der Beschreibung eines physikalischen Vorganges und dem dazugehörigen Wortmodell verstehen.
• die Begriffe "stock", "flow" und "converter" kennen und verstehen.
• die Begriffe "Modellierung", "Simulation" und "Parameterstudie" kennen und verstehen.
• das Diagramm eines systemdynamischen Modelles verstehen.
• das Energieträgerkonzept verstehen.
• verstehen, wie in einem dynamischen System Energie freigesetzt, umgeladen und gebunden wird.
• die Begriffe "freiwillige/unfreiwillige Prozesse", "Energieumlader", "Prozessleistung" und "Wirkungsgrad" kennen und verstehen.
• die Begriffe "Gravitationsprozessleistung", "Gravitationsfeldstärke" und "Gravitationspotential" kennen und verstehen.
• die Prozessleistung, die umgesetzte Energie und den Wirkungsgrad in einem einfachen Energieumlader bestimmen können.
• Begriffe "Energiestrom" und "Trägerstrom" kennen und verstehen.
• verstehen, dass der Transport von Energie immer mit dem Transport einer mengenartigen Grösse verknüpft ist.
• den Zusammenhang zwischen Energiestrom, Trägerstrom und Niveau verstehen und anwenden können.
• ein Systemdiagramm eines einfachen Energieumladers zeichnen können.
• die Rolle der Energie in Prozessketten verstehen.
• Energiespeicher aus der Natur und der Technik kennen.
• wissen, dass Energie in einem System gespeichert werden kann.
• wissen, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
• ein systemdynamisches Modell entwerfen können.
• verstehen, was Bilanzieren bedeutet.
• einige bilanzierbare physikalische Grössen kennen.
• verstehen, dass Energie eine bilanzierbare Grösse ist.

Hydraulik: Fluide und Energie

• wissen, was man unter Hydraulik versteht.
• hydraulische Systeme kennen.
• die Begriffe "Volumenstrom(stärke)" und "ausgetauschtes Volumen" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen einem Strom und einer ausgetauschten Menge verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der Volumenstromstärke und dem ausgetauschten Volumen anwenden können.
• die Begriffe "Volumen", "Volumenänderung" und "Volumenänderungsrate" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Volumen und der Volumenänderungsrate verstehen und anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen der Volumenänderungsrate und der Volumenänderung verstehen und anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen dem Volumen und der Volumenstromstärke mit DYNASYS modellieren und simulieren können.
• die Bilanzgesetze für Ströme und Mengen verstehen und anwenden können.
• das Phänomen Druck kennen.
• wissen, dass der Druck isotrop wirkt.
• die Druckeinheiten Pa, bar, Torr und deren Beziehungen zueinander kennen.
• den Unterschied zwischen einem Absolutdruck und einem Überdruck kennen.
• wissen, was ein Manometer und ein Barometer ist.
• die Gesetzmässigkeit, mit welcher der Druck in einer Flüssigkeit mit zunehmender Tiefe zunimmt, kennen und anwenden können.
• verstehen, wie ein Flüssigkeits-Barometer funktioniert.
• verstehen, worin das hydrostatische Paradoxon besteht.
• die Zusammenhänge zwischen Volumenstrom, Druck und Energiestrom kennen und ihn in einem Volumenstrom-Druck-Zeit-Diagramm darstellen können.
• aus dem zeitlichen Verlauf von Volumenstrom und Druck den momentanen Energiestrom und die in einer bestimmten Zeitspanne transportierte Energie bestimmen können.
• den Begriff "hydraulischer Widerstand" kennen und verstehen.
• aus dem Volumenstrom-Druckdifferenz-Diagramm Aussagen über den hydraulischen Widerstand machen können.
• den Zusammenhang zwischen dem hydraulischen Widerstand, der Volumenstromstärke und der Druckdifferenz in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• verstehen, was eine laminare, turbulente Strömung ist.

Elektrische Stromkreise

• verschiedene Vorgänge im Alltag und in der Technik als elektrische Erscheinungen erkennen.
• wissen, dass zwischen Elektrizität und Magnetismus ein Zusammenhang besteht.
• mindestens drei technische Anwendungen der Elektrizität und des Magnetismus aufzählen können.
• den Begriff "elektrische Ladung" kennen.
• wissen, dass elektrische Ladung eine mengenartige Grösse ist, in einem Körper gespeichert werden kann, transportiert werden kann, sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann, eine Erhaltungsgrösse ist.
• je ein Experiment kennen, in welchem die genannten Eigenschaften von elektrischer Ladung nachgewiesen werden kann.
• verstehen, wie ein Elektrometer funktioniert.
• wissen, dass die elektrische Stromstärke in einem geschlossenen, unverzweigten Stromkreis an jeder Stelle gleich gross ist.
• die drei Wirkungen von elektrischen Ladungsströmen kennen.
• die Grössen "elektrischer Ladungsstrom" und "transportierte Ladungsmenge" kennen und deren Zusammenhang verstehen.
• den Knotensatz kennen und verstehen.
• die Grössen "elektrisches Potential" und "elektrische Spannung" kennen und deren Zusammenhang verstehen.
• die elektrische Spannung als Antrieb des elektrischen Ladungsstromes verstehen.
• den Maschensatz kennen und verstehen.
• die Analogien zwischen elektrischen und hydraulischen Grössen erkennen und verstehen.
• wissen und verstehen, wie man Strommessgeräte (Ampèremeter) und Spannungsmessgeräte (Voltmeter) in einen Stromkreis schaltet.
• einen einfachen Stromkreis mit Netzgerät, Widerstandselement, Ampèremeter und Voltmeter aufbauen können.
• wissen, wie die Grössen "elektrischer Widerstand" und "spezifischer elektrischer Widerstand" definiert sind und wie sie zusammenhängen.
• verstehen, was die Kennlinie eines Widerstandselementes ist.
• die Kennlinie eines Widerstandselementes experimentell bestimmen und interpretieren können.
• wissen, dass der elektrische Widerstand im Allgemeinen temperaturabhängig ist.
• den Ersatzwiderstand zweier seriell, parallel geschalteter Widerstände bestimmen können.
• den Ersatzwiderstand einer elektrischen Schaltung bestimmen können.
• die elektrischen Grundgesetze (Knotenregel, Maschenregel, Widerstandsgesetz) zur Analyse von elektrischen Schaltungen anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ladungsstrom und dem Energiestrom kennen.
• den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ladungsstrom, der elektrischen Spannung und der elektrischen Prozessleistung kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• das Systemdiagramm eines vorgegebenen Gerätes zeichnen können.
• die Analogien zwischen Gravitiation, Hydraulik und Elektrizität kennen und verstehen.

Mechanik: Impuls und Bewegung

• den Impuls bzw. Schwung als mengenartige Grundgrösse der Mechanik verstehen.
• wissen, dass Impuls in einem Körper gespeichert werden kann.
• wissen, dass Impuls in einen Körper hinein oder aus ihm heraus fliessen kann.
• wissen, dass Impuls weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
• verstehen, dass der Impuls ein Vorzeichen trägt.
• Impulsströme in konkreten Situationen erkennen können.
• den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers kennen.
• die Eigenschaften des Impulses und den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers zur Analyse und Lösung von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Impuls im Flüssigkeitsbild darstellen können.
• inelastische Stösse mit Hilfe des Impulses beschreiben können.
• den Zusammenhang zwischen Impulsströmen und Druck- bzw. Zugerzeugung verstehen.
• die Impulsstromregel, welche den Zusammenhang zwischen der Impulsstromrichtung und der Zug- bzw.Druckerzeugung wiedergibt, in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen einem Impulsstrom und einer Kraft verstehen.
• die Zuordnungsregel, die den Zusammenhang zwischen Impulsströmen und Kräften wiedergibt, in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• in konkreten Situationen geschlossene Impulsstromkreise erkennen können.
• die an einem Körper angreifenden Kräfte erkennen können.
• das Wechselwirkungsprinzip verstehen.
• in konkreten Situationen Wechselwirkungskräfte, d.h. Actio-Reactio-Kräftepaare erkennen können.
• den Zusammenhang zwischen der Impulsstromstärke und dem geflossenen Impuls verstehen und in konkreten Situationen anwenden können.
• das Impulsbilanzgesetz bzw. das Grundgesetz der Mechanik kennen, verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die drei Newton'schen Axiome in der Sprache der Impulsströme formulieren können.
• die Ursache der Gravitation und die Wirkung der Gravitation auf einen Körper verstehen.
• den Unterschied zwischen Gewicht und Masse verstehen.
• das Flüssigkeitsbild der Gravitation verstehen.
• verstehen, dass die Grössen Impuls, Impulsstrom, Kraft Vektorcharakter haben.
• die vektorielle Addition bzw. Zerlegung von Impulsströmen und Kräften verstehen und zur Analyse und Lösung von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die Zusammenhänge zwischen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung verstehen und für einfache eindimensionale Bewegungen anwenden können.
• aus dem Ort-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung mittlere und momentane Geschwindigkeiten herauslesen können.
• mit Hilfe des Ort-Zeit-Diagrammes einer eindimensionalen Bewegung das dazugehörige Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• aus dem Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung zurückgelegte Strecken sowie mittlere und momentane Beschleunigungen herauslesen können.
• mit Hilfe des Geschwindigkeit-Zeit-Diagrammes einer eindimensionalen Bewegung das dazugehörige Beschleunigung-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• mit Hilfe des Geschwindigkeit-Zeit-Diagrammes einer einfachen eindimensionalen Bewegung und der Vorgabe eines Anfangsortes das dazugehörige Ort-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• aus dem Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung Geschwindigkeitsänderungen herauslesen können.
• mit Hilfe des Beschleunigung-Zeit-Diagrammes einer einfachen eindimensionalen Bewegung und der Vorgabe einer Anfangsgeschwindigkeit das dazugehörige Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• verstehen, was eine gleichförmige Bewegung ist.
• verstehen, was eine gleichmässig beschleunigte Bewegung ist.
• das Ort-Zeit-, das Geschwindigkeit-Zeit- und das Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer gleichförmigen und einer gleichmässig beschleunigten Bewegung zeichnen können.
• aus dem Ort-Zeit- oder Geschwindigkeit-Zeit- oder Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer Bewegung herauslesen können, ob es sich bei der Bewegung um eine gleichförmige, eine gleichmässig beschleunigte oder einen anderen Typ Bewegung handelt.
• die Ort-Zeit- und Geschwindigkeit-Zeit-Beziehung für eine gleichmässig beschleunigte Bewegung kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen dem Impulsstrom und dem Energiestrom kennen und bei der Analyse und beim Lösen von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die mathematischen Ausdücke für die kinetische Energie, potentielle Energie und Federenergie kennen.
• die Impuls- und Energieerhaltung in konkreten Problemstellungen anwenden können.

Dynamik der Wärme

• die Begriffe "Wärme", "Entropie" und "Temperatur" kennen und verstehen.
• wissen, dass Wärme produziert, transportiert, gespeichert werden kann.
• den Zusammenhang zwischen dem Wärmestrom und dem Energiestrom kennen.
• einige Temperatur-Messmethoden kennen.
• verstehen wie die Celsius-, Fahrenheit-, absolute Temperaturskala definiert ist.
• den Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur kennen und verstehen.
• die Begriffe "spezifische Energiekapazität", "spezifische Schmelzwärme", "spezifische Verdampfungswärme" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Mischversuche durch Aufstellen von Energiebilanzen analysieren können.

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