Die vier Grundkräfte

Die vier Grundkräfte Übung

• Bestimme, ob die Aussagen wahr oder falsch sind.

  Tipps

  Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und Neutronen. Um diesen Kern herum befindet sich eine Hülle aus Elektronen.

  Je geringer der Abstand zweier Massen, desto größer die Gravitationskraft zwischen ihnen.

  Die stärkste aller Kräfte sorgt dafür, dass Atomkerne nicht auseinanderfallen.

  Lösung

  Richtig ist die Aussage, dass positive und negative Ladungen einander anziehen.

  Falsch ist die Aussage, dass die Größe der Gravitationskraft zwischen zwei Körpern nur von deren Massen abhängt. Denn auch der Abstand zwischen den Massen beeinflusst die Stärke der Gravitationskraft.

  Falsch ist auch die Aussage, dass Elektronen, Neutronen und Protonen den Kern eines Atoms bilden würden. Denn der Kern besteht nur aus Protonen und Neutronen.

  Richtig ist, dass die starke Wechselwirkung für den Zusammenhalt von Atomkernen sorgt.

  Falsch ist die Aussage, dass Protonen sich zu Neutronen umwandeln könnten und dies umgekehrt nicht funktionieren würde. Die schwache Wechselwirkung sorgt dafür, dass sich sowohl Protonen in Neutronen als auch Neutronen in Protonen umwandeln können.

• Bestimme, welche Kraft hier wirkt.

  Tipps

  Die Gravitation beschreibt die Anziehung von Massen. Je größer die Massen, desto stärker die Gravitation.

  Die elektromagnetische Kraft ermöglicht die Bildung von Molekülen und sorgt für den Zusammenhalt von Atomen.

  Die schwache Wechselwirkung ermöglicht die Umwandlung von Atomkernen. Sie bedingt auch die Verschmelzung von Atomkernen (Kernfusion) in der Sonne.

  Die starke Wechselwirkung hält die positiv geladenen Bausteine von Atomkernen zusammen.

  Lösung

  Die starke Wechselwirkung wird ihrem Namen gerecht. Sie ist deutlich stärker als die Elektromagnetische Wechselwirkung . Deshalb kann sie die positiv geladenen Protonen der Atomkerne zusammenhalten, obwohl sie sich nach den Regeln der Elektromagnetischen Kraft abstoßen.

  Dank der Gravitation bewegt sich die Erde seit geraumer Zeit erfolgreich um die Sonne. Erde und Sonne ziehen sich aufgrund ihrer großen Massen an.

  Die elektromagnetische Kraft sorgt für den Zusammenhalt von Molekülen. Auch Atome mit ihren negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen hält die elektromagnetische Kraft zusammen.

  Die schwache Wechselwirkung macht sich immer dann bemerkbar, wenn sich Atomkerne umwandeln. Das passiert beispielsweise bei der Kernfusion im Inneren der Sonne.

• Entscheide, welche Kraft die zentrale Rolle spielt.

  Tipps

  Das Magnetfeld der Erde ähnelt dem eines magnetischen Dipols.

  Die elektromagnetische Kraft sorgt auch im Atomkern dafür, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wer hält die Bauteile des Atomkerns also zusammen?

  Dank ihrer großen Massen ziehen sich die Sonne und ihre Planeten an.

  Bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Atomkern.

  Lösung

  Gravitation: Die Planeten kreisen um die Sonne. Bereits Newton und Kepler konnten mit Formeln beschreiben, wie die Gravitation dafür sorgt, dass sich Sonne und Planeten gegenseitig anziehen und Planeten um die Sonne (elliptisch) kreisen.

  Elektromagnetische Kraft: Ein Kompass richtet sich aus. Eine Kompassnadel richtet sich entlang der Feldlinien eines Magnetfeldes aus. Ist gerade kein anderer, stärkerer Magnet in der Nähe, zeigt die Kompassnadel in Richtung Norden des Erdmagnetfeldes.

  Starke Wechselwirkung: Die meisten Atomkerne sind stabil. Die starke Wechselwirkung im Atomkern ist größer als die elektromagnetische Wechselwirkung. Wäre es umgekehrt, würden sich die positiv geladenen Protonen des Kerns abstoßen und der Kern auseinanderfallen.

  Schwache Wechselwirkung: Durch Kernfusion wandelt die Sonne Masse zu Energie um. Neben Einsteins berühmter Formel $E=m\cdot c^{2}$ ist hier die schwache Wechselwirkung im Spiel. Sie ist verantwortlich dafür, dass sich die Bausteine von Atomkernen umwandeln und damit zu neuen Atomkernen werden können.

• Beurteile, welche Kraft stärker ist.

  Tipps

  Die Gravitation ist umso stärker, je größer die sich anziehenden Massen sind.

  Die elektromagnetische Kraft ist umso stärker, je größer die sich anziehenden Ladungen sind.

  In Atomen sorgt nicht die Gravitation, sondern die elektromagnetische Kraft dafür, dass sich Elektronen und Atomkern anziehen.

  Lösung

  Die Aussage ist falsch.

  Tatsächlich ist die elektromagnetische Kraft etwa $10^{36}$-mal stärker als die Gravitationskraft. Die Gravitation macht sich nur deshalb bei der Planetenbewegung mehr bemerkbar, weil die Massen der Planeten so groß sind. Wären sie in gleichem Maße elektrisch geladen, könnte die elektromagnetische Kraft zeigen, dass sie viel stärker ist.

• Benenne die vier Grundkräfte.

  Tipps

  Newton entdeckte wichtige Gesetze. Eine Kraft wurde jedoch nicht nach ihm benannt.

  Die Reibungskraft ist genau betrachtet eine Kombination aus mehreren Grundkräften. Sie selbst hat jedoch nicht den Status einer Grundkraft.

  Lösung

  Die vier Grundkräfte lauten:

  Gravitation, elektromagnetische Kraft, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung.

  Die Reibungskraft ist ein Resultat der Grundkräfte. Nach Isaac Newton wurde keine Kraft benannt, dafür aber ihre Einheit.

• Erkläre, wie die Welt ohne die vier Grundkräfte aussehen würde.

  Tipps

  Die schwache Wechselwirkung sorgt für die Energieumwandlungen im Inneren der Sonne.

  Der Jupiter als größter Planet unseres Sonnensystems besitzt eine nahezu perfekte Kugelform.

  Ein Resultat der elektromagnetischen Kraft ist Licht.

  Die elektromagnetische Kraft hält Atome zusammen. Die starke Wechselwirkung sorgt für die Stabilität von Atomkernen.

  Lösung

  Wie sähe eine Welt ohne die vier Grundkräfte aus?

  Ohne Gravitation:

  • würden unsere Erde und die anderen Planeten die Sonne nicht umkreisen.
  • würden wir nicht mehr auf der Erde stehen.
  • wären die Planenten nicht kugelförmig,

  Ohne die schwache Wechselwirkung wäre es sehr kalt, da die Kernfusion nicht mehr möglich ist.

  Ohne die elektromagnetische Kraft gelangt kein Licht und keine Wärme durch das Vakuum zur Erde. Licht und Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen.

  Auch würde nichts existieren da der Zusammenhalt der Atome bedingt ist durch die elektromagnetische Kraft und die starke Wechselwirkung.