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Vertiefende Physik – Wechselstromkreise, medizinische Bildgebung, Quantenphysik

PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18

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Drei Physikthemen in einer Simulation, wählbar über den Parameter Thema. Wechselstrom: eine Reihenschaltung aus R, L und C mit phasenverschobenen u- und i-Graphen, einem Zeigerdiagramm und der Resonanzkurve von I in Abhängigkeit von der Frequenz. Physik in der medizinischen Diagnostik: ein Röntgenstrahl durchdringt Weichgewebe und Knochen und erzeugt nach dem Absorptionsgesetz I = I₀e^(−μx) ein Röntgenbild, oder ein Ultraschallimpuls wird an einer Grenzfläche reflektiert, um die Tiefe zu messen. Quantenphysik: Licht einer gewählten Wellenlänge trifft auf ein Metall; man sieht, ob der Photoeffekt auftritt und wie groß die maximale kinetische Anfangsenergie der ausgelösten Elektronen ist.

Lektion: Wechselstrom; Physik in der medizinischen Diagnostik; Quantenphysik

Was sie zeigt

Drei Themen der angewandten und modernen Physik werden nebeneinander modelliert. Das Wechselstromthema ist ein RLC-Reihenkreis: Der induktive Blindwiderstand ωL steigt und der kapazitive 1/(ωC) sinkt mit der Frequenz; bei f₀ = 1/(2π√(LC)) heben sie sich auf, die Impedanz ist gleich R und die Stromstärke wird maximal und phasengleich mit der Spannung. Das medizinische Thema nutzt die exponentielle Absorption von Röntgenstrahlung, I = I₀e^(−μx), und die Echolaufzeit beim Ultraschall, t = 2d/v. Das Quantenthema zeigt den Photoeffekt: Elektronen werden nur ausgelöst, wenn die Photonenenergie hc/λ größer als die Austrittsarbeit des Metalls ist.

So funktioniert es

Wählen Sie ein Thema über die Reiter. Ziehen Sie unter Wechselstrom über das Diagramm, um die Frequenz zu ändern, und beobachten Sie Zeigerdiagramm und I-f-Kurve; klicken Sie dann auf Resonanzfrequenz einstellen und ändern Sie den Widerstand R im Kreis, um die Form der Spitze zu vergleichen. Vergleichen Sie unter Medizinische Diagnostik beide Verfahren mit Zu Ultraschall wechseln und Zu Röntgen wechseln. Ziehen Sie unter Quantenphysik, um die Wellenlänge zu ändern, und vergleichen Sie mit Metall wechseln Kalium, Zink und Silber.

Einstellbare Parameter

  • Aktuelles Thema 1. Wechselstrom (RLC-Kreis), 2. Physik in der medizinischen Diagnostik, 3. Quantenphysik (Photoeffekt)
  • Wechselstromfrequenz 10–200 Hz
  • Widerstand R im Kreis 5–200 Ω
  • Diagnoseverfahren Röntgenaufnahme (Absorption von Röntgenstrahlung), Ultraschall (Reflexion von Schallwellen)
  • Wellenlänge des Lichts auf dem Metall 200–700 nm
  • Kathodenmetall Kalium (Austrittsarbeit 2,25 eV), Zink (Austrittsarbeit 3,55 eV), Silber (Austrittsarbeit 4,78 eV)

Fragen zum Erkunden

  1. Welche Phasenverschiebung besteht bei der Resonanzfrequenz zwischen u und i, und warum ist die Stromstärke dort am größten?
  2. Wie verändert ein größeres R die Höhe und Schärfe der Spitze im I-f-Diagramm?
  3. Welche der Metalle Kalium, Zink und Silber setzen bei Licht von 400 nm Elektronen frei, und wie groß ist jeweils die Grenzwellenlänge?

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