Grundwissen Physik – Jahrgangsstufe 8
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©2010 JCRG Grundwissen Physik – Jahrgangsstufe 8 In der Jahrgangsstufe 8 erwerben die Schüler folgendes Grundwissen: (aus dem Lehrplan zitiert) „Sie wissen, dass es verschiedene, ineinander umwandelbare Energiearten gibt.“ Grundlagen Formeln und Beispiele Energieformen: Einheit der Energie: [E] = 1 kg⋅m = 1Nm = 1 J 2 Höhenenergie (pot. E.) Körper der Masse m in der Höhe h: EH = m ⋅ g ⋅ h Bewegungsenergie (kin. E.) Körper der Masse m mit der Geschwindigkeit v: Ekin = 12 ⋅ m ⋅ v2 Spannenergie Eine um s gedehnte/gestauchte Feder der Federhärte D: Esp = 12 ⋅ D ⋅ s2 Chemische Energie z. B. in Brennstoffen, wird bei Verbrennung freigesetzt. Elektrische Energie Wird z. B. von einem Elektromotor in kinetische Energie umgewandelt. Innere Energie Energie, die sich z. B. in der Temperatur eines Körpers zeigt. 2 s „Sie kennen das Erhaltungsprinzip als Grundidee des Energiekonzepts und können damit einfache Probleme auch quantitativ lösen.“ Grundlagen Anwendungen und Beispiele Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, aber in eine andere Form umgewandelt und von einem Körper auf einen anderen übertragen werden. Energieumwandlung in Windkraftanlage, Elektromotor, am Feder- und Fadenpendel, beim freien Fall, … Energieerhaltungssatz: Die Summe aller Energien in einem abgeschlossenen System ändert sich nicht. Wie hoch steigt ein mit 20 ms senkrecht nach oben geworfener Körper? Eend=Estart mgh = 12 mv2 h = 12 v2 : g = 20m „Sie wissen, dass Arbeit und Wärme Formen übertragener Energie sind.“ Grundlagen Anwendungen und Beispiele Durch Verrichtung der Arbeit W ändert sich die Energie eines Körpers: W =+E (Arbeit ist zugeführte oder entzogene Energie). Je nach (Ziel-)Energieform spricht man von Hub-, Beschleunigungs-, Spannarbeit. Wärme ist übertragene innere Energie, die z. B. die Temperatur eines Körpers verändert. Leistung P = verrichtete Arbeit benötigte Zeit = W +t Einheit: [P] = 1 sJ = 1W Kraftwandler ändern Angriffspunkt, Richtung oder Betrag einer Kraft Wirkt längs des Weges +s die Kraft F in Bewegungsrichtung, so wird die Arbeit W = F ⋅+s verrichtet. Bsp.: Dauert das Anheben eines 10kg schweren Körpers um 3,0m W ⎛ F ⋅ h ⎞ mgh 8,0s, so beträgt die Leistung P = ⎜ = G ⎟ = = 37W + t ⎝ +t ⎠ + t Schiefe Ebene, Flaschenzug, Hebel als Kraftwandler Goldene Regel der Mechanik: Reibungsfreie Kraftwandler ändern nicht den Betrag der zu verrichtenden Arbeit. ©2010 JCRG J „Sie e können deen Aufbau de er Materie und u die Änd erung von Aggregatzust A tänden im TTeilchenmod dell erklären. Sie wisssen, dass diee Temperatu ur ein Maß für f die mittleere kinetische Energie der d Materiebbausteine isst und dass Tem mperatur- un nd Aggregatzzustandsänd derungen m it Änderunggen der inneren Energie verbunden sind.“ Gru undlagen Erläuterrung Dreei Aggregatsszustände: fesst flü üssig fest Form schwer verä änderlich Sehr sstarke binden nde Kräfte zwischhen (ortsfestten) Teilchen n flüssig Form passt sich Gefäß ß an Starkee bindende Kräfte; K Teilch hen könneen aber „Plättze tauschen n“ mig gasförm Form nimmt mten Raum ein e gesam Sehr ggeringe bindende Kräfte;; Teilcheen frei bewe eglich gasförmig Weechsel des Ag ggregatszustandes durch Zuffuhr bzw. En ntzug von inn nerer Energie (po otenzielle un nd kinetischee Energie der Ein nzelteilchen). Diee Temperatu ur eines Körp pers ist ein Maaß für die kin netische Eneergie der unregelmäßigeen Teilchenb bewegung. Ei klein schmelzen verdampfen erstarren kondensieren ZZZZZZ ZZZZ X ZZZZZZZZZX Z X fest YZZZZ ZZZZ Z flüssig YZZZZZZZZZ Y Z gasförmig Ei groß Die für ddas Schmelzen eines Körrpers zuzufü hrende Energiemenge isst zu seiner M stoffabhhängig und proportional p Masse (analogg beim Verdam pfen). Beim abbsoluten Tem mperaturnulllpunkt T = 0 K = −273,15°C sind alle Atome dder Materie vollständig in i Ruhe. Die zum m Erwärmen eines Körpers zuzuführeende Energie emenge hänggt ab von SStoff und Aggregatszusta and und ist pproportional zu seiner Masse m und der Te emperaturän nderung +ϑ . „Sie e können diee Größen Sp pannung, Strromstärke, W Widerstand und elektrissche Energiee auf einfach he Beispiele aus der Technik anw wenden.“ undlagen Gru Anwendunge A en und Beisppiele Ein n Elektron träägt die Elem mentarladungg −e = −1,6 ⋅ 10−19 C , die e Ladung Q eeines Körperrs entsteht durch Übersch huss/Mangel an Elektron nen. Die D elektrisch he Ladung Q = −1C entspricht einem m 18 −1C Überschuss Ü von v n = Qe = = 6 ,2 ⋅ 10 Elek− 1,6⋅10 −19 C tronen. Strromstärke I = transportierte Ladung benötigte ZZeit = +Q +t Durch D das Glühlämpchenn einer Tasch henlampe fließt bei b einer Stro omstärke vo n 180mA in 5,0min die Ladung +Q = I ⋅+t = 0,180 A ⋅ 300s = 54 4C Gesetz von Ohm m: der el. Widerstand W viieler Geräte ist U kon nstant: R = I = kons tantt . Die D U-I-Kennlinie eines O Ohm‘schen Widerstandes W s ist eine e Ursprungsgerade. Eleektrische Eneergie und Leiistung: Ein Gerät G wird beei Bettrieb an der Spannung U während der Zeitdauerr +t von derr Stromstärkke I durchflossen. Dabei wird die el. Energie Eel = U ⋅ I ⋅+t umgewandelt, die Leistung Pel = U ⋅ I ve rrichtet. 5-minütiger 5 Betrieb B einess 1200W-Föns: P 1200 W Stromstärke S I= = = 5,2 A U 230 V (ii.W. in innerre Energie) uumgewandelte el. Energiie: Eel = U ⋅ I ⋅+t = Pel ⋅+t = 360kkJ Bei einer Reiheenschaltung zweier Wideerstände ist die Strromstärke in beiden Wid derständen gleich, g die Sppannungen addieren sich zur Gesamtspan G nung. Rges = R1 + R2 Uges = U1 + U2 I1 = I2 = Igess = Bei einer Paralllelschaltung g zweier Wid derstände istt die Spaannung an b beiden Widerständen gle eich, die Teil ströme add dieren sich zzum Gesamttstrom. 1 R ges = 1 1 + R1 R2 U ges = U1 = U2 Igges = I1 + I2 Uges Rges ©2010 JCRG „Sie haben einen Überblick über Energieversorgungssysteme und deren Auswirkung auf die Umwelt.“ Grundlagen Primärenergieträger Holz, Erdöl, Erdgas, Uran, Wind, Sonnenlicht, … In Kraftwerken werden Primärenergieträger in Sekundärenergieträger (meist Strom) umgewandelt. Sekundärenergieträger Brikett, Benzin, Heizöl, Strom, … Man unterscheidet erneuerbare (Wasser, Sonne, Wind) und nicht erneuerbare Energieträger. Nutzenergie: unmittelbar genutzte Energieform Bei der Umwandlung und Verteilung zum Verbraucher gibt es Verluste und Umweltschäden.
