Inhaltsverzeichnis
1
Hinweise zur Arbeit mit diesem Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht
der Klassen 6 – 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik
Klasse 9 Gymnasium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.1
Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.2
Lernbereich 2: Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.2.1 Energieversorgung gestern, heute und morgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.2.2 Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
4.2.3 Energie der Atomkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.3
Lernbereich 3: Bewegungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.1 Größen und Gesetze der Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.2 Newtonsche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
7
Aufgaben des Arbeitshefts mit Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3
1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material
Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klasse 9 sollen
dem Lehrer Anregungen für seinen Unterricht geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und -durchführung ermöglichen.
Die Empfehlungen und Materialien sind abgestimmt mit dem
– Lehrbuch Level Physik, Klasse 9, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 3-89818-382-3
– Arbeitsheft Level Physik, Klasse 9, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 3-89818-383-1
Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe I sind zu empfehlen:
– Basiswissen Schule Physik. Verlage DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 3-89818-010-7
– Formelsammlung bis Klasse 10. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 3-89818-710-1 (Festeinband mit CD-ROM) oder
ISBN 3-89818-715-2 (Broschur)
– Formelsammlung bis zum Abitur Formeln, Tabellen, Daten (einschließlich CD-ROM)
ISBN 3-89818-700-4
– Formeln und Tabellen für die Sekundarstufe I und II
ISBN 3-89517-253-7 (Print) oder
ISBN 3-89517-624-9 (einschließlich CD-ROM)
Darüber hinaus sind folgende Lehrermaterialien für die Sekundarstufe I zu empfehlen:
– Kopiervorlagen Schüleraktiver Physikunterricht mit Arbeitsblättern für die Sekundarstufe I
ISBN 3-89517-328-2 (Print) oder
ISBN 3-89517-329-0 (CD-ROM)
– Kopiervorlagen Experimentieranleitungen Sekundarstufe I
ISBN 3-89517-740-7 (Print)
ISBN 3-89517-768-7 (CD-ROM)
Über das gesamte Angebot des DUDEN PAETEC Schulbuchverlages können Sie sich im Internet unter folgender Adresse informieren:
http://www.duden-paetec.de
Nachschlagewerke für die Schüler sind zu finden unter
http://www.schuelerlexikon.de
Das vorliegende Material enthält:
– eine Übersicht über den Physikunterricht in der Mittelschule,
– einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan,
– konkrete Unterrichtsmaterialien (Tafelbilder, Kopiervorlagen, Arbeitsblätter, Experimente,
Projekte),
– Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs,
– die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben des Lehrbuchs,
– die Lösungen aller Aufgaben des Arbeitsheftes.
Das gesamte Material ist so gestaltet, dass es der Lehrer entsprechend seiner Erfahrungen
und den spezifischen Bedingungen ergänzen, präzisieren oder umordnen kann. Die vorliegende Form ermöglicht auch schnelle und kostengünstige Ergänzungen und Präzisierungen.
Für Anregungen, Vorschläge für konkrete Unterrichtsmaterialien, Kritiken und Hinweise ist
der DUDEN PAETEC Schulbuchverlag immer dankbar.
Stromstärke und Spannung
in Stromkreisen (18 Std.)
Die elektrische Stromstärke
Die elektrische Spannung
Energiewandler (10 Std.)
Energie, Energieformen und
Energieumwandlungen
Mechanische Energie und
mechanische Leistung
Körper, Dichte der Stoffe,
Bewegungen (14 Std.)
Körper und Stoff
Volumen, Masse und Dichte
Bewegungen und ihre
Beschreibung
Temperatur und Zustand von
Körpern (14 Std.)
Temperatur und Temperaturmessung
Volumen- und Längenänderung
von Körpern
Aggregatzustände und ihre
Änderungen
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur
Auswahl)
Kraftwandler – früher und
heute
Elektrische Schaltungen
Vom Fliegen
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur
Auswahl)
Sehen und Fotografieren
Wärmedämmung
Farben
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Elektrische Stromkreise (5 Std.)
Elektrischer Strom und seine
Wirkungen
Elektrische Stromkreise
Kräfte (22 Std.)
Mechanische Kräfte
Magnetische Kräfte
Elektrostatische Kräfte
Klasse 7 (2 Std.)
Licht und seine Eigenschaften
(17 Std.)
Ausbreitung des Lichts
Reflexion des Lichts
Brechung des Lichts
Bildentstehung an Sammellinsen und optische Geräte
Klasse 6 (2 Std.)
Energieversorgung (18 Std.)
Energiebereitstellung in Kraftwerken
Elektromagnetische Induktion
Kernenergie
Grundlagen der Elektronik
(9 Std.)
Eigenschaften von Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor
Leitungsmechanismen in Halbleitern
Klasse 9 (2 Std.)
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-384-X
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Vom Ballonfahren
Kühlschrank und Wärmepumpe
Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen
Selbstständiges Experimentieren (8 Std.)
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Natürliche Radioaktivität
Energie von Wind und Sonne
Bewegungen auf gekrümmten
Bahnen
Physikalisches Praktikum (7 Std.)
Eigenschaften elektrischer
Bewegungsgesetze (16 Std.)
Bauelemente (15 Std.)
Kinematische Bewegungsgesetze
Der elektrische Widerstand
Newtonsche Gesetze
Widerstandsgesetz
Kennlinie von Bauelementen
Elektrische Energie und Leistung
Thermische Energie (15 Std.)
Thermische Energie und Wärme
Übertragung von Energie
Wärmekraftmaschinen
Mechanik der Flüssigkeiten und
Gase (12 Std.)
Der Druck
Schweredruck in Flüssigkeiten
Auftrieb
Luftdruck
Klasse 8 (2 Std.)
Gymnasium
Klasse 10 (2 Std.)
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Fernrohre
Kommunikation mit elektronischen
Medien
Fernsehbildtechnik
Physikalisches Praktikum (6 Std.)
Hertzsche Wellen (7 Std.)
Eigenschaften und elektromagnetisches Spektrum
Licht als Strahl und Welle (9 Std.)
Brechungsgesetz, Dispersion und
Farbzerlegung
Beugung und Interferenz
Kosmos, Erde und Mensch (18 Std.)
Sonnensystem, Sterne, Sternsysteme
Orientierung am Himmel
Weltbilder
Erkenntnismethoden in der
Astronomie
Mechanische Schwingungen und
Wellen (10 Std.)
Beschreiben mechanischer
Schwingungen
Beschreiben mechanischer Wellen
Schallwellen
2 Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 – 10
Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 – 10
3
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
selbstständige Informationsgewinnung mithilfe von LB,
Nachschlagewerken und elektronischen Medien, Vorstellung
der Ergebnisse
Untersuchungen in einfachen SE
SE Aufnehmen von Kennlinien in getrennt gemeinschaftlicher
Arbeit (leistungsdifferenziert), rechnergestütztes Erfassen und
Auswerten, Zeichnen von Diagrammen unter Berücksichtigung
der Messunsicherheiten, Interpretieren dieser Diagramme und
der Diagramme anderer Bauelemente
Ableiten von Schlussfolgerungen für die Nutzung der Bauelemente (Vergleich mit Recherche)
Eigenschaften und Einsatzzwecke von
Thermistor, Halbleiterdiode, Solarzelle,
LED, Transistor
Untersuchen von charakteristischen Eigenschaften bei Halbleiterdiode, Solarzelle,
Transistor
I(U)-Kennlinien von Halbleiterdioden,
IC(UBE)-Kennlinie eines Transistors
Anwenden der Kenntnisse und Fertigkeiten beim Experimentieren
Vorstellen verschiedener diskreter und integrierter elektronischer Bauelemente, Informationen zur Chipfertigung,
Tendenz zur Miniaturisierung, Vergleiche zu historischen Bauelementen
Überblick über die Vielfalt elektronischer
Bauelemente
4
Exkursion zu Unternehmen oder Einrichtungen: Unterstützung
von Projektierung, Fertigung, Marketing mit elektronischen
Systemen; Elektronik in Geräten des täglichen Bedarfs;
Einblick gewinnen in Bedeutung und Leistungsfähigkeit der Elektronik
2
Methodische Hinweise
Lernbereich 1: Grundlagen der
Elektronik
Inhalte
Geräte für SE
SEA E29, E30
GTR
Geräte für Präsentation
Sammlung verschiedener
Bauelemente, Wafer, Chips,
Mikroskop
LB S. 8–29
AH S. 1–5
Hinweise auf Lehr- und
Lernmittel
Lehrbuch Level Physik 9 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2006, ISBN 978-3-89818-382-3
Arbeitsheft Level Physik 9 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2006, ISBN 3-89818-383-1
Kombipaket S I Experimentieranleitungen mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN 3-89517-791-1
Kombipaket Kopiervorlagen Physik (Arbeitsblätter) mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN 3-89517-328-2
Schülerexperiment
Demonstrationsexperiment
Wiederholung aus anderen Lernbereichen oder anderen Fächern
9
Std.zahl
LB
AH
SEA
AB I
SE
DE
Wh
Es werden folgende Abkürzungen verwendet:
3
4
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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Hinweis auf Verstärker für Mikrofone und in Audiogeräten,
Messverstärker Folien von Kennlinien
elektronischer Verstärker
Berichten über Probleme der Energieversorgung: Holzraubbau,
Energiekrisen und ihre Folgen, ungleichmäßiger Energiebedarf
in der Welt u. Ä.
Freihandexperimente zur Wh des Energiebegriffs
Energieträger, Energiearten und Energieumwandlungen, z. B.
Spielzeuge mit elektrischem Antrieb sowie Feder- und
Schwungradantrieb, Heben eines Körpers mit Muskelkraft und
elektrisch angetriebenem Spielzeugkran, Akkubohrschrauber,
Kerze anzünden, Raumbeleuchtung einschalten, Erwärmen von
Wasser mit Gasbrenner und elektrischer Heizplatte
Energieträger, die für die Energieversorgung besonders geeignet sind
Nutbarkeit verschiedener Energiearten und Energieträger
Elektroenergie als besonders gut nutzbare Energieart (edle
Energie)
Energieversorgung als Problem der
Menschheit
Übertragung, Umwandlung, Erhaltung
und Entwertung von Energie
Übertragen des Energiebegriffs auf Möglichkeiten der Energie bereitstellung
DE oder Zusammenbau und Erprobung eines Bausatzes für
Dämmerungsschalter oder Lichtschranke
elektronischer Schalter
5
DE Aufbau und Wirkungsweise von Einweg- und Brückenschaltung, Nutzung eines Oszillografen, Erklären der Wirkungsweise
Gleichrichterschaltungen
Lernbereich 2: Energieversorgung
Entwickeln bzw. Interpretieren einfacher Schaltungen aus
Kennlinieninterpretation und charakteristischen Eigenschaften
Erhöhung der Leitfähigkeit bei Energiezufuhr (Temperatur,
Belichtung)
Hinweise auf pn-Übergang und Bezug zu Sperr- und Durchlassverhalten
Halbleiterstoffe Silicium, Germanium
reine und dotierte Halbleiter, Paarbildung
und Rekombination, n- und p- Leitung
Übertragen und Anwenden der Kenntnisse
auf einfache Schaltungen
Erarbeiten im Unterrichtsgespräch unter Nutzung von Videoclips
Kennen der prinzipiellen Leitungsmechanismen in Halbleitern
18
1
2
Geräte für Freihandexperimente
AB Energie, Energieformen,
Energieträger
LB S. 30–39
AH S. 6–7
LB S. 30–77
AH S. 6–20
Geräte für DE, Beschaffung
von Bausätzen, SEA E31
Geräte für DE
Folien von Kennlinien
AB Elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitern
AB Die Halbleiterdiode
Video, Applikationsmaterial
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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5
2
1
SE/DE Induktionsspannung entsteht durch Änderung der Stärke
des Magnetfeldes, das die Induktionsspule durchsetzt: mittels
Relativbewegung, mittels Änderung der Erregerstromstärke
des Feldmagneten
DE Induktionsspannung entsteht durch Änderung der vom Feld
durchsetzten (wirksamen) Spulenfläche
DE Abhängigkeit von Windungsanzahl, Änderung der Stärke
des Magnetfeldes in gleicher Zeit, Änderung des Magnetfelds
in kürzerer Zeit, Erfassen in Je-desto-Aussagen
Parameter, von denen der Betrag der
Induktionsspannung abhängt
SEA E21, E22, Geräte für DE
AB Elektromagnetische
Induktion (1) und (2)
Geräte für DE
SEA E20
Geräte für DE
DE Nachweis der induzierten Spannung, Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, MICHAEL FARADAY (SV)
Induktionsgesetz
Begriff elektromagnetische Induktion
Bilder historischer Generatoren, Fahrraddynamo, Aufbaumodell
Analyse der Funktion und des Aufbaus eines Generators Wh
magnetisches Feld, Erkennen der relativen Bewegung von Feldmagnet und „stromerzeugender“ Spule
LB S. 40–59
AH S. 8–13
Literatur, Zeitungsmeldungen,
Videoclips
Geräte für Demostrationen
Vortragen über Abhängigkeit der Menschen von der Bereitstellung elektrischer Energie, Berichte von Havarien
Anwenden der elektromagnetischen Induktion auf die Bereitstellung und den
Transport elektrischer Energie
Schulpublikationen von
Energieversorgungsunternehmen
AB Der Wirkungsgrad
Bereitstellung von elektrischer Energie durch Reibungselektrizität, galvanische Elektrizität (Batterien), Generator (hohe Leistung möglich)
Energieumwandlungen und -übertragungen in den Anlagenteilen, Wirkungsgrad, Wärme-Kraft-Kopplung in regionalen
Kraftwerken
Kraftwerksprozess in Wärmekraftwerken
Generator als Voraussetzung für die Industrialisierung
Veredelung von Energie in Kraftwerken: Primär-, Sekundär-,
Nutzenergie – Abwärme
Kraftwerke mit fossilen Energieträgern (Wärmekraftwerke),
Kraftwerke mit regenerativen Energieträgern, Energieressourcen in verschiedenen Ländern
Bereitstellung elektrischer Energie durch
Kraftwerke
Kraftwerksarten
Schlussfolgern zur Notwendigkeit der Energieveredelung durch
Umwandlung
Wh Energieerhaltungssatz, Entwertung von Energie bei der
Energienutzung, Wirkungsgrad von Anlagen
6
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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Einführen in die Probleme der Nutzung von Kernenergie:
Argumente zu Für und Wider von Kernkraftwerken,
Energieproblem, Havarien und Folgen, aktuelle Auseinandersetzungen aufgreifen
Historisches zur Entdeckung der Radioaktivität, Anteil MARIE
CURIES würdigen, Auswerten von Nebelkammeraufnahmen
Unterscheiden nach ihrer Ablenkung im magnetischen Feld
und ihrer Durchdringungsfähigkeit, Hinweis auf Ursache von
Kernumwandlungen, Natur der verschiedenen Strahlungsarten
Erscheinungen der Radioaktivität
Nachweis der Radioaktivität durch Wirkung auf Fotomaterial und in der Nebelkammer
Arten radioaktiver Strahlen
Informieren über Energieverbundnetze und Energieverluste
bei der Fernübertragung von elektrischer Energie
Vorteile des Energieträgers elektrischer Strom hinsichtlich der
Fernübertragung von Energie, Transformator als Bestandteil
von Übertragungsanlagen
Untersuchen des Aufbaus eines Transformators, Anwenden der
Erkenntnisse zur Induktion zur Begründung des Aufbaus und
Erklären der Wirkungsweise
DE Wirkungsweise eines Transformators
Möglichkeit der Spannungsübersetzung, Notwendigkeit der
Energieübertragung mittels Hochspannung
Wh elektrische Leistung, Folgen einer Energieübertragung
großer Leistung mit kleinen Spannungen
Abschnitt ist geeignet für getrennt gemeinschaftliche Schülerarbeit; Abstimmung mit Wahlpflichtbereich 1
Transformator
3
Anwenden der Erkenntnisse zur Begründung des Aufbaus und
Erklären der Wirkungsweise, Entstehung von Wechselspannung
Fahrraddynamo, Bauformen von Kraftwerksgeneratoren, Beiträge WERNER VON SIEMENS zur Entwicklung des Generators
Einblick gewinnen in die Nutzung der
Energie der Atomkerne
Wechselstromgenerator
1
Übersichten über Nutzung
von Kernenergie in verschiedenen Ländern,
Berichte über Havarien
(Harrisburg, Tschernobyl),
Castortransporte
Video, Nebelkammeraufnahmen
AB Nachweis radioaktiver
Strahlung
LB S. 60–77
AH 14–20
Geräte für DE
Realtrafo, Trafo-Aufbaumodell
Videoclip, Bilder einer
Umspannanlage
demontierter Fahrraddynamo, Material zu Kraftwerksgeneratoren
AB Der Generator
Generator-Aufbaumodell
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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7
3
1
16
3
Bedingungen für Kernspaltung, Kettenreaktion, Hinweis auf
Kernwaffen und atomare Rüstung
gesteuerte Kettenreaktion im Reaktor (Aufbau und Wirkungsweise, Energiefreisetzung), Einsatz im Kraftwerk
Argumentieren zu fossilen Energieträgerreserven, Möglichkeiten und Risiken der Nutzung verschiedener Energieträger,
Umweltbelastung, Perspektiven
Kernspaltung
Sich positionieren zu den Vor- und Nachteilen verschiedener Kraftwerksarten
Beherrschen der kinematischen Bewegungsgesetze
Geschwindigkeit
Bewegungsarten
Begriff Bewegung
Kennen des Begriffs Bewegung
Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
DE Vergleich verschiedener Bewegungen, Schnelligkeit der
Ortsveränderung, Geschwindigkeit als physikalische Größe
(Wh Kl. 6)
Demonstration verschiedener Bewegungsarten: Aufsuchen von
Gemeinsamkeiten B Ortsveränderung, Relativität der Bewegung bewusst machen, Aufsuchen von Unterschieden B
Bahnform, Bewegungsarten (Wh Kl. 6): geradlinige Bewegung,
Kreisbewegung, Schwingung
Beispiele wie Bewegung eines Turners, eines Autos beim Einparken B Modell Massepunkt
Würdigung von HAHN, STRASSMANN und MEITNER ,
gesellschaftliche Rahmenbedingungen
Entdeckung der Kernspaltung
Nachweismöglichkeiten
unterschiedlich starke ionisierende Wirkung der Strahlenarten,
Berichten über Auswirkungen von Überdosen radioaktiver
Strahlung, Anwendungen
Vorstellen von Zählrohren, Ionisationsdosimeter
Wh Kern-Hülle-Modell und PSE (Ch 7/8), Bestandteile des Kerns
(relative Atommasse, Ladung) Kernbindungskräfte, isotope
Kerne, natürliche Radioaktivität
biologische Wirkung durch ionisierende
Eigenschaft radioaktiver Strahlen
Atomkern
Geräte für DE
Geräte für Demonstrationen
LB S. 78–123
AH S. 21–32
Material von Energieversorgern, Abstimmung mit
fächerverbindendem
Thema
Folien
AB Kernenergie
Videosequenzen
Zählrohre, Fotodosimeter,
Ionisationsdosimeter
AB Anwendung radoaktiver
Strahlen
AB Aufbau von Atomen
8
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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2
3
∆s
-----∆t
2
a
----
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Würdigung von GALILEO GALILEI
Übertragen der Bewegungsgesetze auf
den freien Fall
s(t) =
· t2
a
---- · t2
2
Vermutung entwickeln: freier Fall als Sonderfall der geradlinig
gleichmäßig beschleunigten Bewegung
DE Fallbewegungen verschiedener Körper im Vakuum und in
Luft
Schülervortrag zu GALILEI
DE Bestimmen der Fallbeschleunigung g, Aufgaben lösen
DE Bestätigung von s ~ t2 an geneigter Ebene, Berechnungen,
Interpretieren von Diagrammen
Herleiten von s(t) =
Merkmale hinsichtlich Bahnform und Betrag der Beschleunigung (a = konst.), Herleiten von v(t) = a · t
DE Bestätigung von v ~ t, Beschleunigung als Anstieg der
Geraden im v(t)-Diagramm, Weg als Fläche unter dem Graphen
im v(t)-Diagramm
geradlinig gleichmäßig beschleunigte
Bewegung
v(t) = a · t
∆v
------∆t
Begriff Beschleunigung und Definition als physikalische Größe
Größenvorstellungen von Beschleunigungen in Natur und Technik, Berechnungen
physikalische Größe Beschleunigung
a=
Anfahr- und Bremsvorgänge, Bewegungen auf geneigter
Ebene
Merkmale hinsichtlich Bahnform und Betrag der Geschwindigkeit
SE/DE Untersuchen des Zusammenhangs zwischen Weg und
Zeit (rechnergestützte Messwerterfassung), Auswertung mit
mathematischen Methoden ohne und mit Rechner
Durchschnitts- und Augenblicksgeschwindigkeit
Unterscheiden von ungleichförmiger und gleichförmiger Bewegung (v = konst.), Interpretieren von s(t)-Diagrammen, Verallgemeinerung der Definitionsgleichung
beschleunigte und verzögerte Bewegungen
s(t) = v · t
geradlinig gleichförmige Bewegung
v=
Fallröhre, Fallschnüre
AB Der freie Fall
Geräte für DE
AB Gleichförmige und
gleichmäßig beschleunigte
Bewegung
Geräte für Demonstrationen
Geräte für SE/DE
GTR
Folien, AB gleichförmige
Bewegungen (2)
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
9
2
5
SE halb quantitative Untersuchung der Zusammenhänge zwischen a und F sowie a und m
Mitteilen der Gleichung F = m · a, Interpretieren und Vergleichen mit experimentellen Befunden, Aufgaben lösen, dabei
1 N = 1kg · m/s2
newtonsches Grundgesetz
F=m·a
Schwerelosigkeit frei fallender Körper, Wechselwirkung von
Körpern unter dem Einfluss der Schwerkraft und Unterlage/
Aufhängung von an der Bewegung gehinderter Körper, Bezug
zu oben, Diskussion weiterer Wechselwirkungen, z. B. Experiment Magdeburger Halbkugeln, Raketenantrieb, Rückstoß bei
Geschützen oder Handfeuerwaffen, DE segnersches Wasserrad
Ansichten ARISTOTELES zur „erzwungenen Bewegung“ eines
Ochsenkarrens, GALILEIS Gedankenexperiment zur Trägheit, Reibung als verzögernde Kraft
Kräftegleichgewicht zwischen Reibung und Antriebskraft für
gleichförmige Bewegungen mit Reibung
Herleitung des Trägheitsgesetzes als Sonderfall F = 0
DE Trägheitswirkungen
Projekt
Berechnen von Anhaltezeiten und -wegen unter Berücksichtigung der Reibung und der Reaktionszeit
Computersimulationen
experimentelle Bestimmung der Reaktionszeit
Sinn von Sturzhelm und Sicherheitsgurt, Knautschzone
Ladungssicherung
Wechselwirkungsgesetz
Trägheitsgesetz
Beurteilen von Gefahren im Straßenverkehr
Bremsvorgänge
Trägheitswirkungen
freier Fall als Folge der Schwerkraft
Gewichtskraft Fg = m · g
Fallbeschleunigung – Ortsfaktor
Frage nach der Ursache von beschleunigten und verzögerten
Bewegungen: Einwirken einer Kraft auf frei bewegliche Körper, Wh (Kl. 7) Kraft als physikalische Größe, Kraftwirkungen,
Gewichtskraft, Ortsfaktor
Kennen der newtonschen Gesetze
Geräte für SE
Video, Demonstrationen
mit Modellexperimenten
AB Sicherheitsgurt und Airbag
LB S. 116 –119
Lehrmaterial von Fahrschulen
Geräte für DE
Geräte für DE
SEA M11
10
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-384-X
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1
7
Die im LB vorgeschlagenen Experimente sind sowohl Aufgabenstellungen mit vorgegebener Handlungsfolge als auch
Aufgabenstellungen, bei denen die Planung von Experimentieranordnung, Handlungsfolge und/oder Auswertung von den
Schülern nach den vorgegebenen Gerätevoraussetzungen
selbstständig erfolgen kann.
Es eignen sich besonders Aufgaben
– zur Bestimmung physikalischer Größen
– zur Ermittlung quantitativer Zusammenhänge
– zur Erklärung experimentell festgestellter Phänomene.
Dabei sollen Messwerte sowohl mit herkömmlichen Methoden
als auch computergestützt erfasst und verarbeitet werden.
Beim Auswerten werden mathematische Methoden vertieft.
Aus den drei Wahlpflichtbereichen können zwei ausgewählt
werden.
Abstimmen mit Lernbereich 2
Problemlösen bei komplexen experimentellen Anforderungen
Wahlpflichtbereiche
Wahlpflichtbereich 1: Natürliche Radioaktivität
Erkunden der Umstände der Entdeckung der Radioaktivität
durch HENRY BEQUEREL und MARIE CURIE, Hinweisen auf Zerfallsreihen
Wirkungen radiaktiver Strahlung, die für Nachweismethoden
relevant sind: Schwärzung von fotoempfindlichem Material,
Filmdosimeter; Ionisierungsvermögen
DE Entladen eines Wulfelektroskops
Aufbau eines Geiger-Müller-Zählrohrs, problemhaftes
Erarbeiten der Wirkungsweise, Totzeit
Entdeckung der Radioaktivität
Aufbau und Wirkungsweise des GeigerMüller-Zählrohrs
Sich positionieren zur Radioaktivität in
Natur und Technik
Die im Lehrplan vorgegebenen Kompetenzen sollten mittels
komplexer experimenteller Aufgaben erreicht werden.
Hinweisen auf Erkenntnisse ALBERT EINSTEINS: Bedeutung der
Lichtgeschwindigkeit, Relativität der Masse, Relativität von
Raum und Zeit, Gültigkeit der Annahmen der klassischen
Mechanik, Würdigung ISAAC NEWTONS
Anwenden des Wissens beim Lösen von
Aufgaben aus Mechanik und Elektrik
Physikalisches Praktikum
Einblick gewinnen in die Grenzen klassischer mechanischer Vorstellungen
offenes Zählrohr
Geräte für DE
AB Nachweis radoaktiver
Strahlung
Videosequenzen
LB S. 141–144
LB S. 140–150
außerdem:
SEA P2, P3, P10, P11, P14,
P18
für das Praktikum bearbeitet:
SEA M12, M13, E21, E22,
E24, E28, E31
LB S. 124–139
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
11
Medienrecherche
Bildmaterial und Modelle
Geräte für Experimente
verschiedene Solarzellen
Dieser Wahlpflichtbereich eignet sich für eine projektorientierte selbstständige Schülerarbeit.
Berichten über Nutzung der Energie des Windes bei Segelschiffen und Windmühlen
Rotorarten, Kopplung mit Generator, Wh Vorteile der Elektroenergie, Einspeisung ins Verbundnetz, Vor- und Nachteile von
Windkraftanlagen in Bezug auf Umwelt und Wirtschaftlichkeit,
Grenzen der Nutzung
Eigenschaften von Wärmestrahlen (Experimente) und ihre
Anwendung in Sonnenkollektoren
Erzeugung hoher Temperaturen: Treibhauseffekt, Hohlspiegel,
Brennlinsen
Anwendung von Sonnenkollektoren zur Warmwasserbereitstellung, Niedrigenergiehäuser, evtl. Bau eines einfachen Sonnenkollektormodells
Wirkungsweise einer Solarzelle (vereinfacht, mit Bezug zu
Lernbereich 1), Spannung und Leistung verschiedener Solarzellen, Reihen- und Parallelschaltung
Sich positionieren zur Nutzbarkeit der
Energie von Wind und Sonne
Historisches
Aufbau und Wirkprinzip einer Windkraftanlage
thermische Nutzung der Solarenergie
Fotovoltaik
Material für SE
LB S. 145–147
Abstimmen mit Lernbereich 2
Wahlpflichtbereich 2: Energie von
Wind und Sonne
4
AB Anwendung radioaktiver Strahlung
Hinweisen auf verschiedene Einsatzzwecke in nuklearmedizinischer Diagnostik, Strahlentherapie, Werkstoffprüfung, Verschleißmessung
vertiefte Beschäftigung mit einem ausgewählten Anwendungsbeispiel (getrennt gemeinschaftliche Arbeitsweise)
Anwendung radioaktiver Präparate in der
medizin und Technik
Literatur zum Problem,
Internetrecherche
natürliche Strahlenbelastung am Beispiel des Radonproblems
im Erzgebirge, Belastungen durch Halden des Uranbergbaus,
Recherche
Radioaktivität als Umweltfaktor
Geräte für SE/DE
Durchdringungsvermögen, Reichweite bei verschiedenen
Strahlenarten und bei verschiedenen Materialien
SE/DE Untersuchungen dazu unter Nutzung von Zählrohranordnungen, Schlussfolgern für persönlichen Strahlenschutz,
Reaktorsicherheit
Eigenschaften radioaktiver Strahlen
1
2
12
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
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gleichförmige Kreisbewegung
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2
Kreisbewegung als Sonderfall von Bewegungen auf gekrümmter Bahn, mit der sich Bewegungen auf komplizierteren Bahnen näherungsweise berechnen lassen, konstanter Betrag der
Geschwindigkeit auf der Bahn, jedoch sich stets ändernde Richtung
Herleiten der Gleichung für die Bahngeschwindigkeit aus der
Definitionsgleichung der Geschwindigkeit, Lösen von Berechnungsaufgaben
Anwenden von Gesetzen der Kinematik
und Dynamik auf Bewegungen auf gekrümmten Bahnen
2
Fächerverbindenes Thema: Energie
und Umwelt
Das Thema orientiert sich an den Perspektiven Raum und Zeit
sowie Sprache und Denken und enthält Elemente aus den
thematischen Bereichen Umwelt, Gesundheit, Technik und
Medien.
geostationäre Satelliten, Simulationen, Anwendungen der
Satellitentechnik
m
⋅ v2
-----------------r
Satellitenbahnen
FR =
Analyse des Trägheitsgesetzes in Bezug auf die gleichförmige
Kreisbewegung
Erkennen, dass Kraft für ständige Richtungsänderung erforderlich ist, Bestätigung mit DE, Bewusstmachen an eigenen Erfahrungen, Begriff Radialkraft
Mitteilen und Interpretieren der Gleichung
Aufgaben lösen
T
2π ⋅ r
--------------
Radialkraft
v=
Bahngeschwindigkeit
Betrachten von Beispielen für Bewegungen auf gekrümmten
Bahnen, z. B. Turner am Reck, Hammerwerfen, Bewegung des
Fahrradventils
Bewegung von Himmelskörpern und Satelliten,
Abgrenzung von Drehbewegung, Modell Massepunkt anwenden
Wahlpflichtbereich 3: Bewegung auf
gekrümmten Bahnen
4
SE Untersuchung der Abhängigkeit der Leistung von Bestrahlungsstärke und -winkel, Vor- und Nachteile in Bezug auf
Umwelt und Wirtschaftlichkeit, Hinweis auf Solarkonstante,
Wirkungsgrad heutiger Anlagen
Präsentation der Arbeiten der Schülergruppen
LB S. 151–157
Geräte für DE
Experimentiermotor, dicker
Kupferdraht, Plastilin
Geräte für Freihanddemonstrationen
LB S. 148–150
Präsentationstechnik
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium
13
14
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Empfehlungen und Materialien
zur Unterrichtsgestaltung
4.1 Lernbereich 1: Grundlagen der
Elektronik
Siliciumkristallen in eine Ebene darstellt. Die Skizze
zeigt die räumliche Darstellung eines einzelnen Siliciumkristalls, bei dem die Elektronenpaare angedeutet sind.
Eine andere Variante ist im TB dargestellt.
Si
Bei der Behandlung der Leitungsvorgänge in Halbleitern sind die Schwerpunkte
– die Klärung des Begriffs Halbleiter,
– die Eigenleitung und die Störstellenleitung,
– die Temperaturabhängigkeit des Widerstands
von Halbleitern am Beispiel des Thermistors,
– die Halbleiterdiode,
– der Transistor,
– ausgewählte Anwendungen von Halbleiterbauelementen.
Zur Klärung des Begriffs Halbleiter empfiehlt sich
eine Gegenüberstellung von Leitern, Halbleitern
und Nichtleitern. Während bei Leitern der spezifische elektrische Widerstand bei 0,1 … 0,01 Ω · mm2
/m liegt, beträgt er bei Nichtleitern ca. 1010 Ω · mm2
/m oder weniger. Halbleiter liegen unter normalen
Bedingungen dazwischen, z. B. hoch dotiertes Silicium bei 102 Ω · mm2 /m. Bei reinem Silicium ist die
Leitfähigkeit aufgrund der Eigenleitung sehr
gering. Es gehört mit etwa 5 · 1013 Ω · mm2 /m zu
den Isolatoren. Schon geringe Verunreinigungen,
die immer vorhanden sind, erhöhen die elektrische
Leitfähigkeit von Silicium um Größenordnungen.
Für die vereinfachte Darstellung von Silicium gibt es
unterschiedliche Möglichkeiten. Im Lehrbuch ist
eine Variante angegeben, die eine Projektion von
Si
Si
Si
Si
Auf die geringe Eigenleitung von Silicium sollten die
Schüler aufmerksam gemacht werden. Die entscheidenden Prozesse dabei sind die Paarbildung (Elektron, Loch) und die Rekombination. Diese Eigenleitung, die ihrem Wesen nach eine Elektronenleitung
ist, bei der sich auch Löcher bewegen, tritt auch bei
dotierten Halbleitern auf. Da sie aber um Größenordnungen geringer ist als bei dotierten Halbleitern,
kann sie weitgehend vernachlässigt werden.
Um den Schülern zumindest vage Vorstellungen über
die tatsächlichen Verhältnisse zu vermitteln, kann
man sie auf folgende Zahlen aufmerksam machen:
– In reinem Silicium kommt auf etwa 1011 (hundert Milliarden) Silciumatome ein frei bewegliches Elektron (Eigenleitung).
– Bei normaler Dotierung kommt auf etwa 106 Siliciumatome ein Fremdatom. Bei 1011 Siliciumatomen sind es demzufolge 105 frei bewegliche
Ladungsträger, also einhunderttausend Mal so
viel wie bei reinem Silicium.
Tafelbild
Halbleiter
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen der von Leitern (z. B. Kupfer,
Aluminium) und der von Nichtleitern (z. B. Gummi, Plastik).
Aufbau von Silicium
Einer der wichtigsten Halbleiterstoffe ist
das Silicium.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Silicium ist vierwertig.
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Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik
15
Tafelbild / Kopiervorlage
n-Leitung und p-Leitung
Durch den Einbau von Fremdatomen (Dotieren) kann die elektrische Leitfähigkeit von
Silicium in weiten Grenzen verändert werden.
n-Leiter
p-Leiter
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Si
Störstelle
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Durch Einbau eines 5-wertigen
Stoffes besteht ein Elektronenüberschuss.
Durch Einbau eines 3-wertigen
Stoffes besteht ein Elektronenmangel. Es sind Löcher vorhanden.
vereinfachte Darstellung
Phosphor-Ion
Elektron
Bor-Ion
Loch (Defektelektron)
Bei Anlegen einer Spannung
bewegen sich die Elektronen
gerichtet.
Bei Anlegen einer Spannung bewegen sich Elektronen von Loch
zu Loch. Dadurch bewegen sich
die Löcher gerichtet.
⇒ Elektronenleitung
(n-Leitung)
⇒ Löcherleitung
(p-Leitung)
Ursache für die n-Leitung und p-Leitung sind Störstellen. Man spricht deshalb auch
von Störstellenleitung.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
– Bei hoch dotiertem Silicium beträgt das Verhältnis von Siliciumatomen zu Fremdatomen etwa
10000 : 1, die Anzahl der frei beweglichen
Ladungsträger bei 1011 Siliciumatomen also 107.
– Bei Metallen ist das Verhältnis Atome zu Elektronen etwa 1 : 1.
Für die zeichnerische Darstellung des mit drei- oder
fünfwertigen Elementen dotierten Siliciums bieten
sich zwei Varianten an. Um die Störstellen (Elektronen, Löcher) deutlich zu machen, empfehlen sich
Skizzen wie im TB.
Da die Störstellenleitung die entscheidende Rolle
spielt, ist die ebenfalls im TB enthaltene vereinfachte
Darstellung sehr zu empfehlen. Anhand dieser Darstellung ist die p- und die n-Leitung leicht überschaubar, sie ist auch gut nutzbar für die Erläuterung der
Vorgänge im pn-Übergang. Die Darstellung kann
auch als Kopiervorlage genutzt werden.
Die Beeinflussung des elektrischen Leitungsvorgangs in Halbleitern durch Wärme am Beispiel des
Thermistors und durch Licht am Beispiel des Fotowiderstands kann vor oder nach der Behandlung der
Störstellenleitung erfolgen. Im Vordergrund steht
dabei nicht der Leitungsmechanismus, sondern der
jeweilige Effekt, dass durch Wärme bzw. durch
Licht die Zahl der Ladungsträger und damit der
elektrische Widerstand des Bauelements verändert
werden kann.
Thermistoren oder Heißleiter (NTC-Widerstände,
Abkürzung des englischen negativ temperature
coefficient) bestehen aus gesinterten Metalloxiden
oder oxidischen Mischkristallen, z. B. Fe2O3 mit TiO2 Dotierung, MgO mit Al2O3 oder NiO mit Li2O. Der
Widerstandskoeffizient liegt meist zwischen – 3 %/K
und – 6 %/K. Der Mechanismus der Widerstandsänderung besteht darin, dass sich bei Temperaturerhöhung infolge von thermischer Generation
Ladungsträgerkonzentration und Ladungsträgerbeweglichkeit verändern.
Bei Fotowiderständen verwendet man z. B. Cadmium- oder Bleisulfid und Cadmium- oder Bleiselenid auf einem Trägerblättchen. Genutzt wird der
innere fotoelektrische Effekt, also die Freisetzung
von Ladungsträgerpaaren (Elektronen, Defektelektronen) durch das eingestrahlte Licht. Die höchste
Empfindlichkeit ist vom Material abhängig; sie
kann im sichtbaren, aber auch im nicht sichtbaren
Bereich (IR, UV) liegen.
Fotowiderstand
U=
Taschenlampe
A
Heißleiter
U=
Föhn
A
Beide Experimente können mehrfach wiederholt
werden (Lampenabstand verändern, Föhn an-, ausschalten), wodurch die Schüler selbst zu der Einsicht
gelangen, dass eine Beleuchtungsstärke- bzw. Temperaturänderung zur Änderung der Stromstärke
führt.
Bei der Erklärung der Effekte geht es um zwei Aussagen, die auf unterschiedlicher Ebene liegen und
die den Schülern bewusst werden sollten:
a) Da sich bei konstanter Spannung die Stromstärke vergrößert und die Stromstärke ein Maß
für die Anzahl der Ladungsträger ist, die sich
durch einen Leiterquerschnitt bewegen, ergibt
sich: Bei Temperaturerhöhung bzw. bei Beleuchtung stehen im Bauelement mehr Ladungsträger
zur Verfügung. Die Energiezufuhr bewirkt eine
Vergrößerung der Anzahl der Ladungsträger.
b) Vergrößerung der Stromstärke bei konstanter
Spannung bedeutet nach R = U/I eine Verkleinerung des elektrischen Widerstands. Mit Temperaturerhöhung bzw. Beleuchtung verkleinert sich
der elektrische Widerstand des betreffenden
Bauelements.
Die wichtigsten Ergebnisse sind im TB zusammengefasst. In leistungsstärkeren Klassen kann man
auch auf die Kennlinien eingehen.
Bei Thermistoren liegt in der Regel eine nichtlineare Abhängigkeit vor.
I-J- Kennlinie
I
U = konstant
Im Unterricht empfiehlt sich ein phänomenologisches Herangehen, wobei man die Effekte durch
Experimente verdeutlichen kann (s. Skizzen oben).
J
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Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik
17
Tafelbild
Beeinflussung der Leitfähigkeit von Halbleitern
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Energiezufuhr (Licht, Wärme) erhöht
werden.
Thermistor (Heißleiter)
Fotowiderstand
J
A
U
U
A
Je höher die Temperatur, desto größer
die Stromstärke und desto kleiner der
Widerstand.
Je größer die Beleuchtungsstärke,
desto größer die Stromstärke und
desto kleiner der Widerstand.
Anwendungen
Thermometer
Anwendungen
Lichtschranken,
Dämmerungsschalter
Bei Fotowiderständen ergibt sich meist ein linearer
Zusammenhang, wenn man den Widerstand in Abhängigkeit von seiner Entfernung s von einer Lichtquelle bestimmt. Für einen Fotowiderstand FOK3
und einen Diaprojektor als Lichtquelle erhält man
folgendes R-s-Diagramm:
R in Ω
150
100
R in Ω
50
150
2000
4000
E in Lux
100
50
10
20
30
40
50
60
s in cm
Beachtet man, dass zwischen Beleuchtungsstärke E
und Abstand s die Beziehung E~1/s2 besteht, dann
erhält man auch beim Fotowiderstand einen nichtlinearen Zusammenhang in der Form, wie er im Diagramm rechts dargestellt ist.
Als wichtige Bauelemente, die sowohl als diskrete
Bauelemente ihre Bedeutung haben als auch in
integrierten Schaltkreisen eine wichtige Rolle spielen, werden die Halbleiterdiode und der Transistor
herausgestellt.
Beide Bauelemte können auf sehr unterschiedlichem Niveau behandelt werden, ebenso die verschiedenen Anwendungen. Entscheidend ist: Schüler sollen ein elemtares Verständnis für die
Vorgänge in dotierten Halbleitern gewinnen. Es
sollte deshalb die Störstellenleitung im Vordergrund
stehen und die Eigenleitung bei Halbleiterdioden
und Transistoren vernachlässigt werden.
In den Tafelbildern/Kopiervorlagen sind didaktisch
vereinfachte Varianten angegeben.
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18
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild / Kopiervorlage
Die Halbleiterdiode
Aufbau:
p-leitend
Grenzschicht
n-leitend
– p-leitender Bereich
– n-leitender Bereich
– Grenzschicht, die sich zwischen
beiden Bereichen bildet
Löcher
Durchlassrichtung
Elektronen
Sperrrichtung
Kennlinie einer Silicium-Diode
I in mA
80
60
40
20
–80 –60 –40
–20
0,4
0,8
1,2
U in V
Anwendung: Gleichrichtung von Wechselströmen (Gleichrichter)
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Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik
19
Arbeitsblatt
Untersuchungen an einer Diode
Aufgabe:
Untersuche die Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung in Durchlassrichtung
und in Sperrrichtung!
Vorbereitung:
a) Was versteht man bei einer Diode unter Durchlass- bzw. Sperrrichtung?
b) Ergänze den Kopf der Messwertetabellen!
Durchführung:
a) Baue zunächst die Schaltung für die Untersuchung der Durchlassrichtung auf!
Führe die Messung durch! Trage die Messergebnisse in die Messwertetabelle ein!
b) Untersuche die Sperrrichtung! Verändere dazu die Schaltung entsprechend dem
angegebenen Schaltplan!
Durchlassrichtung
Sperrrichtung
Diode
RS
V
U=
Diode
RS
U=
V
A
A
Auswertung:
Durchlassrichtung:
Sperrrichtung:
U in V
U in V
0,2
0,4
2
0,6
4
0,7
6
Zeichne die Kennlinie der Diode!
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10
20
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild / Kopiervorlage
Der npn-Transistor
Aufbau:
Schaltzeichen:
Kollektor C
C
C
n
p
Basis B
pnÜbergänge
B
B
E
n
Emitter E
E
Schaltung, Stromkreise und Ströme beim Transistor
A
IC
IC
A
IB
U CE
UBE
Basisstromkreis
IB
Ströme beim Transistor
Kollektorstromkreis
– Es fließt ein Strom, wenn der pn-Übergang zwischen Emitter und Basis
in Durchlassrichtung geschaltet ist (UBE > 0,7 V).
– Die Kollektorstromstärke IC ist wesentlich größer als die Basisstromstärke IB.
– Eine kleine Änderung von IB bewirkt eine große Änderung von IC.
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Lernbereich 2: Energieversorgung
p 4.2 Lernbereich 2: Energieversorgung
f
e In diesem Lernbereich geht es vor allem darum,
dass die Schüler ihr Wissen im Kontext zu Fragen
h der Energieversorgung vernetzen. Die Schüler sollen zur Einsicht gelangen, dass man die natürliche
Umwelt nur in enger Verbindung mit anderen
Naturwissenschaften als komplexe Erscheinung
erklären und verstehen kann. Ihnen wird bewusst,
wie einzelne physikalisch-technische Erkenntnisse
die Entwicklung von Wissenschaft und Technik
befördern und damit die Lebenswelt der Menschen
verändern.
Der Lernbereich ist in enger Beziehung zum Wahlpflichtbereich „Energie von Wind und Sonne“ zu
sehen und eignet sich zur Realisierung eines fächerverbindenden Themas „ Energie und Umwelt“.
4.2.1 Energieversorgung gestern, heute und
morgen
Das Stoffgebiet bietet vielfältige Möglichkeiten, die
Schüler mit den Zusammenhängen zwischen Natur,
Umwelt, Energie und Gesellschaft vertraut zu
machen und sie zur Bewertung des Umgangs mit
natürlichen Energieressourcen zu befähigen. Die
Schüler sind in der Lage, Schlussfolgerungen für das
eigene Handeln zu ziehen.
Aufbauend auf den Kenntnissen zum Energiebegriff
aus den Klassenstufen 7 und 8 geht es um
– eine Weiterentwicklung des Energiebegriffs,
– eine Beschreibung vielfältiger Energieumwandlungen am Beispiel komplexer Phänomene und
technischer Anwendungen,
– das Erläutern von Energieentwertung an Beispielen,
21
– das Erkennen der fundamentalen Bedeutung
des Energieerhaltungssatzes über die Grenzen
des Physikunterrichts hinaus,
– die Bereitstellung elektrischer Energie durch
Kraftwerke
– Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie
– erneuerbare und nicht erneuerbare Energien.
Einbezogen werden sollten auch aktuelle Daten
und Informationen, die man über das Internet
abrufen kann. Auf einige dieser Quellen sei nachfolgend aufmerksam gemacht.
– Aktuelle Energiedaten werden jährlich vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit herausgegeben. Die Daten findet man unter
www.bmwa.bund.de. Es können auch kostenlos
Broschüren und Flyer bestellt werden.
– Unter www.kernenergie.de findet man zahlreiche aktuelle Informationen zur Nutzung der
Kernenergie und auch zu Kernkraftwerken.
Beim Informationskreis Kernenergie werden
auch kostenlos Broschüren in Klassensätzen
bereitgestellt.
– Unter www.wind-energie.de sind vielfältige Informationen zu Windkraftwerken zu finden.
– Unter www.wasserkraft.org bietet der Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke Informationen
zur Nutzung der Wasserkraft.
– Unter der Internet-Adresse von Energieunternehmen, z. B. unter der Adresse www.vattenfall.de,
findet man teilweise sehr detaillierte Informationen zu einzelnen Kraftwerken.
Einbezogen werden sollten auch Informationsmaterialien der örtlichen Energieversorger, die in der
Regel kostenlos zur Verfügung gestellt werden.
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22
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Erneuerbare Energien
Primärquellen
Sonne
Technische Nutzung
Sonnenstrahlung
Sonnenkollektor
Solarzellen/
Solarkraftwerk
Wasserkraft
Wasserkraftwerk
Wind
elektrische
Energie
Windkraftwerk
Biomasse
(Pflanzen,
Tiere)
Erde
Sekundär- bzw.
Nutzenergie
Umweltwärme
(Erdoberfläche, Grundwasser,
Luft)
Kraftwerke mit Biogas
oder Biomasse
Heizung mit
Biomasse
Wärmepumpe
Erdwärme
Geothermisches
Kraftwerk
Geothermisches
Heizwerk
Gezeiten
Gezeitenkraftwerk
thermische
Energie /
Wärme
Mond
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Lernbereich 2: Energieversorgung
23
Kopiervorlage
Erdwärmekraftwerk
Es wird durch die Erdwärme erhitztes Wasser für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt.
Größte Anlage: Larderello (Italien)
Gesamtleistung: 490 MW
180 Bohrlöcher speisen die Kraftwerke mit Dampf.
Kraftwerk
Turbine, Generator
Pumpe
kaltes Wasser
heißes Wasser
bzw. Dampf
3000 m bis 5 000 m
Tiefe
GRANIT
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150 °C bis 300 °C
24
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Gezeitenkraftwerk
Ebbe und Flut werden für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt.
Größte Anlage: St. Malo (Frankreich)
Leistung: 240 MW (24 Turbinen)
Durch einen Damm ist eine 22 km2 große Bucht abgeriegelt.
bei Flut
Damm
abgeriegelte Bucht
Meer
Turbine
Generator
Damm
bei Ebbe
abgeriegelte Bucht
Meer
Turbine
Generator
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Lernbereich 2: Energieversorgung
25
Arbeitsblatt/Kopiervorlage
Energie, Energieformen, Energieträger
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten
oder Wärme abzugeben oder Licht auszusenden.
Energieform
Beispiele
Energieträger
potenzielle Energie
Epot
angestautes Wasser
gehobene Körper
kinetische Energie
Ekin
fahrendes Auto
strömendes Wasser
strömende Luft
thermische Energie
Etherm
heißer Ofen
heißes Wasser
Flamme einer Kerze
chemische Energie
Echem
Steinkohle, Braunkohle
Erdgas, Propan
Benzin, Dieselkraftstoff
Heizöl
Nahrungsmittel
elektrische Energie
Eel
elektrischer Strom
Kernenergie
Ekern
Wasserstoff, Uran, Plutonium
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt/Kopiervorlage
Energieumwandlung und -übertragung
1. Zeichne farbig den Weg des Wassers bei einem Pumpspeicherkraftwerk
ein! Benenne die wichtigen Teile! Ergänze die Kette der Energieumwandlungen!
elektrische
Energie (niedrige Spannung)
potenzielle
Energie des
Wassers
2. Die Heizung eines Wohnhauses
erfolgt mit Heizöl. Beschreibe
anhand der Skizze die Energieumwandlungen und -übertragungen!
Heizkörper
Ausgleichgefäß
Rohrleitungen
Heizkessel
Pumpe
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Lernbereich 2: Energieversorgung
p
f
b
27
4.2.2 Elektromagnetische Induktion
Bei der elektromagnetischen Induktion stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt des Unterrichts:
– Bedingungen für das Entstehen einer Induktionsspannung und Kenntnis des Induktionsgesetzes,
– Abhängigkeit der Induktionsspannung von verschiedenen Faktoren,
– Selbstinduktion, Ein- und Ausschaltvorgänge bei
Spulen,
– Wechselstromgenerator und Transformator als
technisch wichtige Anwendungen der elektromagnetischen Induktion,
– Transport elektrischer Energie
Nachfolgend wird auf ausgewählte Schwerpunkte
eingegangen.
Beim Induktionsgesetz liegt der Schwerpunkt auf
den Bedingungen, unter denen eine Spannung
induziert wird. Für den Einstieg können unterschiedliche Möglichkeiten gewählt werden:
1. Möglichkeit:
Es erfolgt ein historischer Einstieg, ausgehend von
der OERSTED'schen Entdeckung der Ablenkung einer
Magnetnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter bis zur Umkehrung der Fragestellung durch
FARADAY und der Entdeckung des Induktionsgesetzes durch ihn. Dabei kann eine Orientierung am
Lehrbuchtext zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion erfolgen.
2. Möglichkeit:
Es wird von einem Experiment mit einer Leiterschaukel im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten ausgegangen und die Frage untersucht, was geschieht,
wenn man die Leiterschleife im Magnetfeld bewegt.
3. Möglichkeit:
Es wird ein Überraschungsexperiment entsprechend
der Skizze an den Anfang gestellt.
Magnet
Da das Messgerät eine Spannung anzeigt, wenn der
Magnet bewegt wird, muss bei Bewegung des Magneten eine Spannung erzeugt werden, eine für
viele Schüler zunächst sehr überraschender Effekt.
4. Möglichkeit:
Es wird von einem technischen Beispiel, z. B. von
einem Fahrraddynamo, ausgegangen, der Aufbau
untersucht und die Frage in den Mittelpunkt
gerückt, wie beim Fahrraddynamo eine Spannung
entsteht.
Durch vielfältige Experimente muss den Schülern
verdeutlicht werden, dass nur dann eine Induktionsspannung entsteht, wenn sich das von einer Leiterschleife bzw. Spule umfasste Magnetfeld ändert.
Tafelbild
Die elektromagnetische Induktion
N
S
V
V
Relativbewegung Spule – Magnet
Änderung der Stärke des Magnetfeldes
In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das
von ihr umfasste Magnetfeld ändert.
Anwendungen: Fahrraddynamo, Wechselstromgenerator, Mikrofon
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28
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Die elektromagnetische Induktion
1.
Ein Magnet wird in unterschiedlicher Weise bewegt. Begründe, ob in der Spule
eine Spannung induziert wird oder nicht!
a)
b)
V
V
2.
V
Eine Spule wird in unterschiedlicher Weise bewegt. Begründe, ob in der Spule eine
Spannung induziert wird oder nicht!
a)
3.
c)
b)
c)
Zwei Spulen befinden sich auf einem gemeinsamen Eisenkern. Gib mindestens
drei Möglichkeiten an, wie man in der rechten Spule eine Spannung induzieren
kann!
a)
b)
V
c)
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Lernbereich 2: Energieversorgung
29
Bei den Experimenten zur Erarbeitung des
Induktinsgesetzes sollte beachtet werden, dass die
Schüler möglichst alle für praktische Anwendungen
wesentlichen Fälle erfassen. Dies lässt sich durch
entsprechende Teilexperimente realisieren:
Ergebnis:
Für das Entstehen einer Induktionsspannung ist
offensichtlich nicht die Bewegung, sondern die
Änderung des von der Spule umfassten Magnetfeldes das Entscheidende.
– Verschiedene Dauermagnete werden gegenüber
Spulen bewegt. Die Art der Bewegung wird variiert, die Veränderungen mit Hilfe von Skizzen
mit eingezeichneten Feldlinienbildern verdeutlicht, z. B. in folgender Weise:
a)
Erst auf einer solch breiten empirischen Basis sollte
als Verallgemeinerung das Induktionsgesetz formuliert werden.
Nachdem das Induktionsgesetz erarbeitet und ausreichend gefestigt wurde, ist die Frage zu stellen, wovon
der Betrag der Induktionsspannung abhängig ist.
Vor der experimentellen Untersuchung können Vermutungen formuliert werden.
Zur experimentellen Untersuchung sowie zur Festigung sind im LB Aufgabenstellungen enthalten. Die
wichtigsten Ergebnisse sind im TB zusammengefasst.
Zur Einführung des lenzschen Gesetzes eignen sich
Überraschungsexperimente, z. B. eines der folgenden:
– Ein geschlossener Aluminiumring wird beim
Schließen des Schalters nach oben geschleudert
(Induktionskanone).
V
b)
Eisenkern
Ring
V
Spule
Dabei sind auch Bewegungen einzubeziehen, bei
denen sich das Magnetfeld nicht ändert (z. B. Drehung eines kreisförmigen Stabmagneten um seine
Längsachse).
Ergebnis:
Es wird nur dann eine Spannung induziert, wenn
sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.
– Es werden Spulen gegenüber Dauermagneten
bewegt.
Ergebnis:
Ob eine Spannung induziert wird oder nicht,
hängt von der Relativbewegung zwischen Spule
und Magnet ab.
– Der Dauermagnet wird durch einen Elektromagneten ersetzt. Spule und Elektromagnet werden
relativ zueinander bewegt.
Ergebnis:
Eine Spannung wird unabhängig davon induziert, ob ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet verwendet wird.
– Spule und Elektromagnet sind zueinander in
Ruhe. Es wird die Stärke des Magnetfeldes des
Elektromagneten verändert.
U
– Bei einem geöffneten Ring aus Aluminium und
gleicher Versuchsdurchführung passiert nichts.
– Ein Permanentmagnet wird gegenüber einem
Aluminiumring bewegt. Der Ring kann geschlossen bzw. geöffnet sein.
Permanentmagnet
Aluminiumring
– Es wird die im LB abgebildete Wirbelstrombremse gezeigt, zunächst mit einer geschlitzten
Scheibe, dann mit einer nicht geschlitzten
Scheibe.
Erklärungen sollten erst nach der Durchführung der
vergleichenden Experimente gegeben werden. Bei
den Experimenten liegt der Schwerpunkt beim
genauen Beobachten und beim Vergleichen der
jeweiligen Bedingungen.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild/Kopiervorlage
Der Betrag der Induktionsspannung
Die Induktionsspannung
ist umso größer,
(1)
– je größer die Windungszahl der Induktionsspule ist,
U1
V
U1 > U2
U2
V
– je stärker sich das von
der Induktionsspule
umfasste Magnetfeld
ändert,
(2)
U1
V
U2
U1 > U2
V
(3)
U1
1s
V
U1 > U2
U2
V
(4)
U1
V
U2
U1 > U2
10 s
– je schneller die Änderung des von der
Induktionsspule
umfassten Magnetfeldes erfolgt.
– In Spulen mit Eisenkern ist die Induktionsspannung wesentlich größer als in
Spulen ohne Eisenkern.
V
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Lernbereich 2: Energieversorgung
31
Die Schüler sollten deutlich darauf aufmerksam
gemacht werden, dass das lenzsche Gesetz ein spezieller Fall des Energieerhaltungssatzes ist. Das lässt
sich besonders gut am Beispiel der Wirbelstrombremse erläutern.
Auch bei der Selbstinduktion bietet sich ein experimentelles Herangehen an. Die Experimentieranordnungen sind im TB skizziert. Sie sind so gewählt,
dass die Schüler wichtige Effekte erfassen können, die
beim Einschalten bzw. beim Ausschalten auftreten.
Für das Experiment zum Einschaltvorgang sollten
beide Lampen eine Betriebsspannung von 4 Volt
haben. Die Lampe 2 wird mit einem regelbaren
Widerstand (etwa 10 – 20 Ohm) und Lampe 1 mit
einer Spule (einige hundert Windungen) mit
geschlossenem Eisenkern in Reihe geschaltet. Der
Widerstand wird so eingeregelt, dass beide Lampen
gleich hell leuchten.
In leistungsstärkeren Klassen kann man auch auf
den typischen Verlauf von Spannung und Stromstärke an einer Spule beim Schließen und Öffnen
eines Schalters eingehen (s. TB).
Für die Behandlung des Wechselstromgenerators
kann man sehr gut das Motor-Generator-Modell
nutzen. Analog dazu ist die beiliegende Kopiervorlage gestaltet.
Die Darstellung lässt sich wesentlich vereinfachen,
wenn man von einer rotierenden Leiterschleife in
einen homogenem Magnetfeld ausgeht, so wie es
im Tafelbild dargestellt ist. Wichtig ist dabei, dass
die Schüler erfassen: Der Betrag der Induktionsspannung ist von der Änderungsgeschwindigkeit
des Magnetfeldes abhängig.
Für den Transformator sind im LB eine Reihe von
experimentellen Aufgabenstellungen enthalten.
Methodische Probleme treten dabei in der Regel
nicht auf. Für praktische Anwendungen und auch
für die Formulierung der Transformatorgesetze sind
die beiden Fälle Leerlauf und Kurzschluss von
Bedeutung. Hier muss klar differenziert werden (s.
TB).
Die Schüler sollten darauf aufmerksam gemacht
werden, dass der Wirkungsgrad moderner Transformatoren sehr hoch ist ( > 95 %). Zumindest im Gymnasium sollte man auch darauf aufmerksam
machen, dass der Wirkungsgrad eines Transformators von seiner Belastung abhängig ist und in der
Regel bei einer mittleren Belastung ein Maximum
erreicht.
Tafelbild
Selbstinduktion beim Ein- und Ausschalten
Experiment 1
L1
Experiment 2
L2
L 1 leuchtet später als L 2 auf.
Beim Öffnen des Schalters leuchtet die Glimmlampe auf.
Erklärung:
Beim Einschalten tritt in der Spule
eine Induktionsspannung auf, die
einen Strom bewirkt. Dieser
hemmt den ursprünglichen Strom.
Erklärung:
Beim Öffnen des Schalters wird in
der Spule eine Spannung induziert. Aufgrund der schnellen
Änderung des Magnetfeldes liegt
sie über der Zündspannung der
Glimmlampe.
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32
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Stromstärke und Spannung an einer Spule
I
Es fließt Strom
konstanter Stärke.
einschalten
ausschalten
t
Ui
t
Tafelbild/Kopiervorlage
Induktion einer Wechselspannung
Ui
t
In Spulen, die in einem magnetischen Feld rotieren, wird eine sinusförmige Wechselspannung induziert.
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Lernbereich 2: Energieversorgung
33
Kopiervolage
Einsatzmöglichkeiten von Transformatoren
Transformation von Spannungen
Hinabtransformieren
Hinauftransformieren
N2 << N1 ⇒ U 2 klein
N2 >> N1 ⇒ U 2 groß
Klingeltrafo
230 V Æ 12 V, 6 V
Zündanlage beim Auto
12 V Æ 25 kV
Netzgeräte für CD-Player,
Radiorecorder, Notebooks
230 V Æ 12 V … 3 V
Transformator für Bildröhre beim Fernsehgerät
230 V Æ 15 kV
Umspannwerk auf der Verbraucherseite
380 kV Æ 110 kV
110 kV Æ 20 kV
20 kV Æ 230 V
Umspannwerk am Kraftwerk
20 kV Æ 220 kV
20 kV Æ 380 kV
Transformation von Stromstärken
Für eine Reihe von Anwendungen sind große Stromstärken erforderlich.
N2 << N2 ⇒ I 2 groß
elektrisches Schweißgerät:
ca. 500 A
elektrolytische
Oberflächenvergütung
(Verchromen, Versilbern):
ca. 1 000 A
Elektroschmelzofen:
ca. 15 000 A
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34
p
e
l
r
n
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.2.3 Energie der Atomkerne
In diesem Stoffgebiet erhalten die Schüler Einblicke
in den Bereich der Atom- und Kernphysik sowie in
aktuelle Probleme der Energieversorgung. Dieses
Stoffgebiet ist in engem Zusammenhang mit dem
Wahlpflichtbereich „Natürliche Radioaktivität“ und
dem fächerverbindenden Thema „Energie und Umwelt“ zu sehen. Dabei sollen die Schüler
– einen Überblick über die Entwicklungsgeschichte der Vorstellungen vom Atombau erhalten,
– den Aufbau von Atomen und Atomkernen kennen lernen,
– Einblicke in den Spontanzerfall erhalten,
– die Arten radioaktiver Strahlung, ihre Eigenschaften, Nachweismöglichkeiten und Anwendungen kennen lernen,
– Einsichten in die Notwendigkeit des Strahlenschutzes gewinnen,
– Einblicke in die Kernspaltung und deren Nutzung in Kernkraftwerken erhalten.
Die zur Verfügung stehende Stundenzahl ermöglicht an vielen Stellen nur die Vermittlung eines
Überblicks. Der Lehrer muss in Abhängigkeit von
der Klassensituation entscheiden, an welchen Stellen exemplarisch eine gründlichere Behandlung erfolgt. Das können z. B.
– entwicklungsgeschichtliche Aspekte, etwa die
Entwicklung der Vorstellungen vom Atom
(Atommodell),
– einzelne Nachweismethoden radioaktiver Strahlung,
– einzelne Anwendungen von Radionukliden,
– das Problem der Sicherheit von Kernkraftwerken
sein. Nachfolgend sind Hinweise zu einzelnen
Schwerpunkten gegeben, ohne dass Vollständigkeit
angestrebt wird.
Ein erster Schwerpunkt besteht darin, den Schülern
einen Überblick über die Entwicklungsgeschichte
der Vorstellungen vom Atombau zu geben. Es ist sicher im Unterricht nicht möglich und auch nicht
sinnvoll, die komplizierten und teilweise widersprüchlichen Entwicklungen in den wissenschaftlichen Auffassungen nachvollziehen zu wollen. Einige wichtige Aspekte und Fakten sollten den
Schülern aber bewusst werden:
– Bis etwa 1860 spielten in der physikalischen Forschung Fragen des Atombaus keine Rolle.
– Mit der Entwicklung der Elektrizitätslehre, insbesondere der Untersuchung von Gasentladungen,
wurden Erscheinungen registriert, die mit den
bekannten Modellen nicht zu erklären waren.
Diese Situation verschärfte sich mit der Entdeckung und Untersuchung verschiedener Arten
von Strahlungen (Katodenstrahlen und ihr Durchgang durch dünne Folien, Röntgenstrahlung
(1895), ionisierende Strahlung (1896).
– Auf der Grundlage experimenteller Erkenntnisse
versuchte man solche Modelle zu finden, mit
denen man experimentell ermittelte Fakten
erklären konnte. Das führte zu unterschiedlichen Modellen.
Einen Überblick über einige Etappen der Entwicklung
der Vorstellungen vom Atom gibt die Kopiervorlage.
Zur Entwicklung von Größenvorstellungen kann das
LB genutzt werden. Die Zusammenhänge zwischen
Protonenzahl, Elektronenzahl, Neutronenzahl und
Massenzahl sollte an Beispielen gefestigt werden.
Das LB enthält dazu einige Aufgaben.
Die Einführung in Probleme des Spontanzerfalls
kann historisch angelegt werden. Das LB bietet
dazu einen Lesetext und auch einen Überblick über
die drei Arten von Strahlung.
Für das methodische Herangehen bieten sich zwei
Varianten an:
a) An den Überblick über die Arten von Strahlung
schließt sich sofort die Behandlung der Eigenschaften radioaktiver Strahlung an. Danach werden Nachweismöglichkeiten behandelt, wobei
die Eigenschaften genutzt werden. Erst dann
folgt das Gesetz des Kernzerfalls.
b) Nach der Einführung des Spontanzerfalls und
Hinweisen auf verschiedene Strahlungsarten
wird das Gesetz des Kernzerfalls behandelt.
Anschließend wird auf Eigenschaften, Nachweismöglichkeiten und Anwendungen radioaktiver
Strahlung eingegangen.
Beim Gesetz des Kernzerfalls, das in Form einer grafischen Darstellung gegeben wird, sollte den Schüler deutlich gemacht werden:
– Kerne des radioaktiven Nuklids zerfallen, es entstehen dabei Folgekerne. Die Gesamtzahl der
Atomkerne bleibt gleich. Das kann man durch
eine entsprechende grafische Darstellung (s. TB)
bewusst machen.
– Die Zeit, in der jeweils die Hälfte der Kerne des
Radionuklids zerfällt, wird als Halbwertszeit
bezeichnet. Je nach Nuklid kann diese Zeit zwischen Millisekunden und Milliarden Jahren liegen.
– Das Gesetz des Kernzerfalls ist – im Unterschied
zu allen bisher behandelten Gesetzen – ein statistisches Gesetz. Es macht Aussagen über die
Gesamtheit der Atomkerne, nicht aber über den
einzelnen Atomkern.
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Lernbereich 2: Energieversorgung
35
Tafelbild
Aufbau eines Atoms
Ein Atom besteht
– aus einem positiv geladenen Atomkern mit
Protonen und Neutronen
– aus einer negativ geladenen Atomhülle mit
Elektronen.
Bei einem neutralen Atom gilt:
Anzahl der Protonen = Anzahl der Neutronen.
Für die Massen der Elementarteilchen gilt:
mp ≈ mn
1
m e ≈ ------------- m p (me vernachlässigbar)
1860
Massenzahl = Protonenzahl (Ordnungszahl) + Neutronenzahl
A=Z+N
Das Wesen von statistischen Gesetzen kann man den
Schülern auch an außerphysikalischen Beispielen
verdeutlichen. Geeignete Beispiele sind das Würfeln, das Auftreten einer bestimmten Erkrankung
bei einer Personengruppe, das Vorhandensein
bestimmter Körpermerkmale o. Ä. Denkbar sind
auch Computersimulationen.
den, dass in der Natur mehrere Zerfallsreihen existieren. Eine ist im LB, eine zweite auf dem
beiliegenden Arbeitsblatt dargestellt.
Die Eigenschaften radioaktiver Srahlung können
teils experimentell verdeutlicht werden, teils müssen sie den Schülern gegeben werden. Gut durchführbar sind Experimente zum Absorptionsvermögen radioaktiver Strahlung sowie zur Ablenkung in
magnetischen Feldern.
An Beispielen können Zerfallsgleichungen aufgestellt werden. Dabei sollte den Schüler bewusst werTafelbild
Gesetz des Kernzerfalls
Die Anzahl der Ausgangskerne nimmt ab, die
Anzahl der Folgekerne entsprechend zu.
Die Zeit, in der die Hälfte der vorhandenen
radioaktiven Kerne zerfällt, wird als Halbwertszeit bezeichnet.
N
Folgekerne
N/2
N/4
Ausgangskerne
tH
2 · tH
3 · tH
Die Größe der Halbwertszeit kann sehr unterschiedlich sein:
Radon-220
tH = 55,6 s
Barium-127
2,55 min
Natrium-22
2,6 a
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Uran-235
8
7,1 · 10 a
4 · tH
t
36
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Entwicklung der Vorstellungen vom Atom
1860 bis 1900
Untersuchung von Katodenstrahlen
(EUGEN GOLDSTEIN, PHILIPP LENARD,
J. J. THOMSON)
Katodenstrahlen sind schnell
bewegte Elektronen. Mit den
Elektronen wurde das erste
Elementarteilchen gefunden.
1902
Atommodell von WILLIAM THOMSON
(LORD KELVIN)
positiv geladene „Flüssigkeit“ mit eingebetteten Elektronen
(Rosinenkuchen-Modell)
1911
Atommodell von ERNEST RUTHERFORD
(Planetenmodell)
1913
Atommodell von NIELS BOHR
(Schalenmodell)
ab 1925
Quantenmechanisches Atommodell
(WERNER HEISENBERG, ERWIN SCHRÖDINGER ,
MAX BORN)
Dieses Atommodell ist nur mit
mathematischen Mitteln
beschreibbar.
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Lernbereich 2: Energieversorgung
37
Arbeitsblatt
Natürliche Radioaktivität
1. Was versteht man unter natürlicher Radioaktivität?
2. In der Natur existieren viele radioaktive Stoffe. Die Abbildung zeigt die ThoriumReihe. Das auf der Erde vorkommende Thorium zerfällt in mehreren Stufen bis zum
stabilen Blei.
N
Thorium-232
232
228
224
220
216
212
208
Blei-208
80
82
84
86
88
90
Z
a) Trage an der horizontalen Achse die Kurzsymbole der betreffenden chemischen
Elemente ab!
b) Wie lauten die Reaktionsgleichungen für die ersten drei Kernumwandlungen?
c) Gib zwei Reaktionsgleichungen an, bei denen das stabile Blei-208 entsteht!
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38
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Eigenschaften radioaktiver Strahlung
Art der
Strahlung
α -Strahlung
β -Strahlung
Charakter
doppelt positiv
der Strahlung geladene HeliumKerne
Kurzzeichen
Beispiel für
Auftreten
Durchdringungsvermögen
4
He
2
oder 4 α
226
222
Ra→ 86 Rn
88
bewegte
Elektronen
0
e
–1
2
4
+ 2α
γ -Strahlung
elektromagnetische Wellen kleiner Wellenlängen
γ
oder β –
214
214
Pb→ 83 Bi
82
+
0
e
–1
208
208
82 Pb→ 82 Pb
+γ
klein
mittel
groß
Das Verhältnis beträgt etwa 1 : 100 : 10 000.
Ionisationsvermögen
klein
groß
mittel
Das Verhältnis beträgt etwa 10 000 : 100 : 1.
Ablenkbarkeit
in elektrischen und in elektrischen
magnetischen
und magnetiFeldern
schen Feldern
Energie
meist
–3
–13
8 · 10 J– 13 · 10 J
(5 MeV – 8 MeV)
wird nicht abgelenkt
meist
meist
–13
–13
–13
–3
1 · 10 J – 5 · 10 J 0,5· 10 J – 4 · 10 J
(0,5 MeV – 3 MeV) (0,3 MeV–2,5 MeV)
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Lernbereich 2: Energieversorgung
39
Beim Nachweis radioaktiver Strahlung stehen Filme,
Zählrohr und Nebelkammer im Vordergrund.
Beim Nachweis mit Filmen, den man im Unterricht
schwerlich realisieren kann, kann man zwei Schwerpunkte setzen:
Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung dieser Filter.
a) Die Schüler werden auf historische Aufnahmen
verwiesen, etwa auf die berühmte Aufnahme
von HENRI BECQUEREL von 1896, die zur Entdeckung der natürlichen Radioaktivität führte.
b) Als aktuelle Form wird eine Dosimeterplakette
gezeigt, wie sie auch im LB abgebildet ist.
Ein solches Filmdosimeter muss von allen Personen getragen werden, die beruflich mit Strahlung zu tun haben. Das sind in Deutschland ca.
340 000 Personen. Das Filmdosimeter dient dem
Nachweis von β -Strahlung, γ -Strahlung und
Röntgenstrahlung.
Sein Vorteil besteht in der problemlosen Handhabung, sein Nachteil in der relativ großen Messunsicherheit bei niedrigen Dosen.
Im Innern der Dosimeterplakette befindet sich
ein Messfilm. Vorder- und Rückwand der Plakette bestehen aus Plastik mit je vier eingebauten Strahlenfiltern aus Blei und Kupfer, die folgende Stärken haben:
Cu: 0,05 mm; 0,3 mm; 1,2 mm
Pb: 0,8 mm
Kassettendeckel
Dosismessfilm
Kassettenboden
Die Kontrolle der Filme erfolgt monatlich durch
eine zentrale Stelle.
Zur Erklärung der Wirkungsweise des Zählrohrs
kann die beiliegende Kopiervorlage genutzt und
parallel dazu die Wirkungsweise demonstriert werden.
Wenn möglich, sollte auch die Wirkungsweise einer
Nebelkammer im Unterricht demonstriert werden.
Die Kopiervorlage gibt einen Überblick über die
Nachweismöglichkeiten, das Arbeitsblatt kann zur
Festigung eingesetzt werden.
Kopiervorlage
Das Geiger-Müller-Zählrohr
1928 entwickelt von HANS GEIGER (1882–1945)
und WALTHER MÜLLER (1905–1979)
Rohr mit Edelgasfüllung
Isolator
Verstärker
Impulszähler
Lautsprecher
U ≈ 500 V
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40
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Bei Strahlenbelastungen ist zu beachten, dass dazu
alle Arten ionisierender Strahlung einen Beitrag
leisten. Dazu gehören nicht nur die beim Kernzerfall auftretenden Strahlungen (Alpha-, Beta- und
Gammastrahlung), sondern auch Röntgenstrahlung, kurzwelliges UV-Licht und Höhenstrahlung.
Erfasst werden die biologischen Wirkungen ionisierender Strahlung durch die Äquivalentdosis H,
wobei gilt:
Organ oder Gewebe T ist die mit dem GewebeWichtungsfaktor multiplizierte Organdosis:
E = wT · H T
Sind mehrere Strahlungsarten und verschiedene
Organe beteiligt, so ergibt sich die effektive Dosis
als Summe aller Anteile zu:
E=
Σ
R
H=D·q
Dabei sind D die Energiedosis und q der Qualitätsfaktor.
Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP)
hat 1991 anstelle dieses Qualitätsfaktors den sogenannten Strahlungs-Wichtungsfaktor wR eingeführt.
Für eine bestimmte Strahlungsart R gilt dann: Das Produkt aus der von einem Organ oder Gewebe T aufgenommenen Energiedosis D T,R und dem betreffenden
Strahlungs-Wichtungsfaktor ergibt die Organdosis HT:
HT = D T,R · wR
Sie wird in Millisievert (mSv) gemessen. Erfolgt die
Bestrahlung durch mehrere Strahlungsarten R, so
werden die einzelnen Beiträge summiert und man
erhält:
HT = Σ D T,R · wR
w T · HT
Gemessen wird die effektive Dosis ebenfalls in Millisievert (mSv). Auf die Zeit bezogen wird sie effektive Dosisleistung genannt. Diese auf den menschlichen Körper bezogene effektive Dosisleistung liegt
in Deutschland im Mittel bei etwa 4 mSv/Jahr.
Wegen der sehr unterschiedlichen Individualität der
Menschen geht man bei wissenschaftlichen Berechnungen von einem Standardmenschen aus. Dieser
Standardmensch hat ein Alter von 20 bis 30 Jahren,
eine Gesamtlebensdauer von 70 Jahren, ein Körpergewicht von 70 kg, eine Körperoberfläche von 1,8
Quadratmetern und eine Körpergröße von 170 cm.
Auch die Zusammensetzung des Körpers dieses
Standardmenschen ist festgelegt.
Einige Gewebe-Wichtungsfaktoren sind in der
nachfolgenden Tabelle angegeben.
R
Für die Strahlungs-Wichtungsfaktoren gilt:
Strahlungsart und
Energiebereich
StrahlungsWichtungsfaktor
Photonen beliebiger Energie
1
Elektronen beliebiger
Energie
1
Neutronen
< 10 keV
10 keV bis 100 keV
100 keV bis 2 MeV
2 MeV bis 20 MeV
> 20 MeV
Protonen
Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne
5
10
20
10
5
5
20
Die Organdosis besagt nur wenig darüber, wie groß
das strahlenbedingte Risiko für Schädigungen tatsächlich ist, da die Strahlenempfindlichkeit der einzelnen Organe sehr unterschiedlich ist. Maß für das
gesamte Strahlenrisiko ist die effektive Dosis E. Die
effektive Dosis E für eine Strahlungsart und ein
Gewebe oder
Organ
Gewebe-Wichtungsfaktor
Keimdrüsen
0,20
Dickdarm
0,12
Knochenmark (rot)
0,12
Lunge
0,12
Magen
0,12
Blase
0,05
Brust
0,05
Leber
0,05
Schilddrüse
0,05
Speiseröhre
0,15
Haut
0,01
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Lernbereich 2: Energieversorgung
41
Arbeitsblatt
Nachweis radioaktiver Strahlung
1.
a) Nenne die wichtigsten Eigenschaften radioaktiver Strahlung!
b) Welche dieser Eigenschaften könnte man zum Nachweis nutzen?
2.
Die Skizze zeigt den Aufbau
eines Zählrohrs.
a) Skizziere die Vorgänge im
Zählrohr beim Auftreffen
radioaktiver Strahlung!
Rohr mit Gasfüllung
b) Erkläre die Wirkungsweise
eines Zählrohrs!
R
500 V
3.
Das Bild zeigt eine Nebelkammeraufnahme von α-Strahlung. Wie kann man
eine solche Aufnahme deuten?
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42
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Anwendungen radioaktiver Strahlung
Bestrahlungsverfahren:
Strahlungsquelle
– Sterilisation von Geräten
– Tumorbehandlung
– Verbesserung von Materialeigenschaften (z. B. Erhöhung der Reißfestigkeit
von Folie)
Durchstrahlungsverfahren:
Einschluss
Werkstück
– Werkstoffprüfung
– Füllstandsmessung
– Dickenmessung (z. B. bei Papier- und
Folienherstellung)
Strahlungsempfänger
Markierungsverfahren:
Zählrohr
Schilddrüse
– Schilddrüsenuntersuchung
– Gehirnuntersuchung
– Ermittlung der Durchlassfähigkeit und
der Fließgeschwindigkeit in Rohrleitungen
– Feststellung der Abnutzung im Inneren von Maschinen (Schmiermittelmarkierung)
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Lernbereich 2: Energieversorgung
43
Kopiervorlage
Mittlere Strahlenbelastung in Deutschland
Art der Strahlung
Dosis in mSv pro Jahr
Natürliche Strahlung
kosmische Strahlung
auf Meereshöhe
0,25
auf 1 500 m Höhe
0,50
terrestrische Strahlung
bei Aufenthalt im Freien
0,06 … 2,2
bei Aufenthalt in Gebäuden
0,09 … 2,4
„innere“ Strahlung beim Menschen durch
Einatmen von Radon
1,4
durch Nahrung, Trinkwasser
0,3
Mittelwert: 2,4
Zivilisatorische Strahlung
Anwendung radioaktiver Stoffe und ionisierender Strahlung
1,5
– bei medizinischen Untersuchungen und
Behandlungen
– in Technik, Forschung und Alltag (hoch-
0,02
frequente Strahlung bei PC, Fernseher)
– Kernwaffenversuche, Reaktorunfälle
< 0,02
Mittelwert: 1,6
Mittlere Strahlenbelastung
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4,0
44
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Historisch bedeutsame Kernumwandlungen
Erste künstliche Kernumwandlung
(E. RUTHERFORD 1919)
14
N
7
+ 4α →
2
17
O
8
+ 1H
1
Nachweis der Existenz von Neutronen
(J. CHADWICK 1932)
9
Be
4
+ 4α →
2
12
C
6
+ 1n
0
Entdeckung der künstlichen Radioaktivität
(I. UND F. JOLIOT-CURIE 1934)
27
Al
13
+ 4α →
2
30
P
15
+ 1n
0
↓
30
Si
14
+
0
e
+1
Herstellung von Gold
(E. FERMI 1934)
196
Pt
78
+ 1 n→
0
197
Pt
78
↓
+ γ -Strahlung
197
Ag
79
+
0
e
-1
Entdeckung der Kernspaltung
(O. HAHN, F. STRASSMANN, L. MEITNER 1938)
235
U
92
+ 1 n→
0
236
U→ 144 Ba
92
56
+
89
Kr
36
+ 3 · 1n
0
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Lernbereich 2: Energieversorgung
Bei der Behandlung der Kernenergie geht es um
einen Einblick
– in Probleme der Kernspaltung,
– in den Aufbau und die Wirkungsweise eines
Kernkraftwerks,
– in ökologische Probleme, die mit der Nutzung
von Kernenergie verbunden sind.
Dabei kann es nicht Anliegen des Physikunterrichts
sein, Meinungen zu verbreiten, sondern den Schülern Fakten zu vermitteln, die es ihnen ermöglichen, sich selbst einen Standpunkt zu bilden. Besondere Vorsicht ist hier bei der Materialnutzung
geboten: In einer Reihe von Zeitungsartikeln geht
es weniger um sachliche Information als um sensationell aufgemachte Plattheiten.
Für das Thema bietet sich ein historischer Einstieg
an: die Entdeckung der Kernspaltung durch HAHN
und STRASSMANN. Dazu ist im LB ein ausführlicher
Lesetext enthalten.
Bezüglich der Kernkraftwerke ist es sinnvoll, den
Schülern u. a. einen Überblick über ihre räumliche
Verteilung in Deutschland und über ihre Bedeutung
für die Elektroenergieerzeugung heute zu geben.
Dazu kann die beiliegende Kopiervorlage genutzt
werden.
Wenn man auf Kernkraftwerke eingeht, kann man
einen Druckwasserreaktor oder einen Siedewasserreaktor betrachten.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor bestehen in Folgendem:
45
– Ein Druckwassergenerator hat Primär- und
Sekundärkreislauf, wobei die Turbine im radioaktiv nicht belasteten Sekundarkreislauf liegt.
Bei einem Siedewasserreaktor gibt es nur einen
Kreislauf. Das an den Brennstäben vorbeiströmende Wasser verdampft, der Dampf wird
direkt zur Turbine geleitet.
– Beim Druckwasserreaktor wird mit Drücken von
etwa 150 bar und Temperaturen von ca. 300 °C
gearbeitet. Bei Siedewasserreaktoren liegen
diese Werte bei 70 bar und 280 °C.
Bezüglich der Sicherheit von Kernkraftwerken und
der Entsorgung radioaktiver Abfälle sollte u. a. auf
Folgendes aufmerksam gemacht werden:
– Kernkraftwerke sind nach heutigen Sicherheitsstandards gebaut. Wie bei jeder technischen
Anlage kann es auch in Kernkraftwerken
Defekte und Havarien geben.
– Aus physikalischen Gründen kann ein Kernkraftwerk nicht wie eine Atombombe explodieren.
Gefährlich könnte der Austritt größerer Mengen
radioaktiver Stoffe sein, so wie es 1986 im ukrainischen Tschernobyl passiert ist.
– Der radioaktive Abfall (85 % niedrig radioaktiv,
5 % hoch radioaktiv) ist bei richtiger Lagerung
ungefährlich. Das Problem besteht hier darin,
dass wegen der teilweise sehr langen Halbwertszeit (s. Kopiervorlage) eine sichere Lagerung
über viele Jahrzehnte erfolgen muss.
Zur Erläuterung der Zusammenhänge können die
beiliegenden Kopiervorlagen mit genutzt werden.
Das Arbeitsblatt lässt sich im Rahmen der Festigung
einsetzen. Dabei ist zu beachten: Das Kernkraftwerk Obrigheim wurde 2005 vom Netz genommen.
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46
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Kernkraftwerke und kerntechnische Anlagen in der
Bundesrepublik Deutschland
Kerntechnische Anlagen
1995 waren in der Bundesrepublik Deutschland 21 Kernkraftwerke in
Betrieb und erzeugten ca. 30 % der gesamten Elektroenergie, 2005 sind
noch 18 Kernkraftwerke in Betrieb.
Größte Kernkraftwerke in Deutschland:
KKB Grohnde:
KKI II Isar:
KKP Philippsburg:
1 430 MW
1 420 MW
1 402 MW
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Lernbereich 2: Energieversorgung
Kopiervorlage
Aufbau eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor
Vorteile eines Druckwasserreaktors:
– Das Wasser im Sekundärkreislauf ist nicht radioaktiv. Notwendige Reparaturen an Turbinen sind problemlos möglich.
– Der Betriebsdruck im Primärkreislauf kann hoch sein (ca. 150 bar).
– Es kann mit Dampf hoher Temperatur (ca. 300 °C) gearbeitet werden.
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47
48
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Wege der Entsorgung von radioaktiven Stoffen
radioaktive
Abfälle
abgebrannte
Brennelemente
Kernkraftwerk
Brennstoffelementefertigung
Zwischenlager
Vorbereitung
für Endlagerung
Endlager
(z. B. Schacht
Konrad)
Wiederaufbereitung
Brennelementezwischenlager
Vorbereitung
für Endlager
Endlager
(z.B. Gorleben)
Bei einem Kernreaktor mit einer Leistung von 1 000 MW fallen im Jahr folgende zu entsorgende Stoffe an:
22 t Uran
210 kg Plutonium
750 kg sonstige Spaltprodukte.
Die Zwischenlagerung erfolgt meist in den Kernkraftwerken, die Endlagerung in einem Salzstock bei Gorleben (Niedersachsen) und im Schacht Konrad, einem stillgelegten Eisenerzbergwerk bei Salzgitter (Niedersachsen).
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
m 4.3 Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
p
f In diesem Lernbereich geht es u. a. darum, dass die
e Schüler den Umgang mit Größen und Gesetzen der
Kinematik beherrschen und die newtonschen
Gesetze kennen. Das befähigt sie, durch das Verknüpfen quantitativer kinematischer und dynamischer Betrachtungen vielfältige Bewegungen zu
beschreiben und zu erklären und daraus Schlussfolgerungen für ihr Verhalten im Straßenverkehr zu
ziehen.
Der Lernbereich ist auch in Beziehung zum Wahlpflichtbereich „Bewegung auf gekrümmten Bahnen“ zu sehen.
Als komplexe Anwendung zu den Bewegungsgesetzen und den newtonschen Gesetzen bietet sich die
Realisierung eines Projekts mit dem Thema „Gefahren im Straßenverkehr bei Bremsvorgängen“ an.
4.3.1 Größen und Gesetze der Kinematik
Nachfolgend werden ausgewählte inhaltliche
Schwerpunkte betrachtet, insbesondere
– die Einführung des Begriffs Bewegung und des
Begriffs Geschwindigkeit,
– die Behandlung der gleichförmigen geradlinigen Bewegung,
– die gleichmäßig beschleunigte geradlinige
Bewegung einschließlich des freien Falls.
In der Einführung sollten die Schüler
– verschiedene Arten von Bewegungen kennen
lernen und Bewegungsarten von Körpern unterscheiden können,
– erfassen, dass Bewegung und Ruhe relativ sind,
– die Geschwindigkeit eines Körpers als Maß für
seine Schnelligkeit erkennen,
– die Gleichung zur Berechnung der Geschwindigkeit v = s/t kennen und interpretieren können,
– Geschwindigkeiten berechnen und Folgerungen
für ein sinnvolles Verhalten im Straßenverkehr
ableiten können.
49
Im Unterricht sollte sehr bewusst auf die vielfältigen Erfahrungen der Schüler über Bewegungen zurückgegriffen werden und auch bei Messungen und
Anwendungen immer der Bezug zum Erfahrungsbereich der Schüler hergestellt werden.
An einfachen Beispielen (Personen auf Rolltreppe,
Fahrgast im Zug oder auf dem Schiff), die auch im
Klassenraum leicht nachgestellt werden können,
wird mit den Schülern die Frage diskutiert:
Woran erkennt man, ob sich ein Körper in Ruhe
oder in Bewegung befindet?
Die Notwendigkeit der Festlegung eines Bezugskörpers zur eindeutigen Kennzeichnung von Bewegung und Ruhe wird an den oben genannten Beispielen erörtert.
Es sollte auch vereinbart werden, dass man zumeist
die Erdoberfläche als Bezugskörper nimmt und dies
nicht extra formuliert. Wichtig bei der gesamten
Betrachtung ist nur: Die Schüler sollen erfassen,
dass physikalische Aussagen über Ruhe und Bewegung sehr exakt formuliert werden müssen, wenn
sie eindeutig sein sollen.
Aufmerksam gemacht werden kann auch auf historische Aspekte: Die Frage, ob sich die Erde bewegt
oder ob sie in Ruhe ist, war jahrhundertelang
umstritten.
Ob man zur Charakterisierung von Ruhe und Bewegung den Begriff Bezugskörper oder Bezugssystem
einführt, muss der Lehrer von der Klassensituation
abhängig machen. Ein Bezugssystem umfasst immer
einen Bezugskörper und ein mit diesem Bezugskörper verbundenes Koordinatensystem.
Bei der Behandlung der Arten von Bewegungen hat
es sich bewährt, von den Schülern Beispiele zusammentragen zu lassen, diese Beispiele an der Tafel in
(für die Schüler zunächst unklare) Gruppen zu ordnen und gegebenenfalls in einfachen Experimenten
auf spezielle Arten von Bewegungen aufmerksam
zu machen. Das wird vor allem bei Schwingungen,
eventuell auch bei der Kreisbewegung der Fall sein.
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50
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Bewegungen
Ein Körper ist in Bewegung, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugskörper ändert.
Meist wird als Bezugskörper die Erdoberfläche gewählt.
Körper können sich bewegen
auf unterschiedlichen Bahnen
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
geradlinige
Bewegung
krummlinige
Bewegung
gleichförmige
Bewegung
ungleichförmige Bewegung
fallender Stein
Auto in Kurve
herabschwebender
Fallschirmspringer
anfahrender Zug
Neben der Einbeziehung der geradlinigen Bewegung, der Kreisbewegung und der Schwingung
kann man auch die Drehbewegung mit betrachten,
denn gerade dafür gibt es im Erfahrungsbereich der
Schüler zahlreiche Beispiele.
Die Suche der Gemeinsamkeiten innerhalb der an
der Tafel notierten Gruppen führt dann zu einer
Einteilung von Bewegungen (s. TB).
Dabei ist zu beachten, dass es für solche Einteilungen unterschiedliche Möglichkeiten gibt. Im TB ist
nur eine der Möglichkeiten dargestellt. Sie orientiert sich an den inhaltlichen Schwerpunkten, die
nachfolgend behandelt werden.
Der Begriff Geschwindigkeit ist wohl allen Schülern
bekannt. Die meisten von ihnen verbinden damit
durchaus richtige, wenn auch zumeist unvollständige Vorstellungen. So wird Geschwindigkeit häufig
nur mit schnellen Bewegungen verknüpft, langsamen Bewegungen wird keine Geschwindigkeit
zugeordnet.
Von diesen Alltagsvorstellungen ausgehend, sollten
bei der unterrichtlichen Behandlung einige Schwerpunkte gesetzt werden. Ihre Reihenfolge ist
zugleich ein bewährter Weg der Einführung und
Festigung des Geschwindigkeitsbegriffs.
– An Beispielen aus dem Erfahrungsbereich der
Schüler und bei einfachen Experimenten wird
herausgearbeitet, dass Bewegungen von Körpern langsam oder schnell verlaufen.
– Zur genaueren Charakterisierung der Schnelligkeit der Bewegung eines Körpers gibt es drei
Möglichkeiten:
a) Man könnte angeben, welchen Weg ein Körper in einer bestimmten Zeit (z. B. in 1 s oder
1 h) zurücklegt. Der Körper, der den größeren
Weg zurücklegt, ist schneller (Beispiel: Weg
eines Autos und eines Fahrradfahrers in 1 h).
b) Man könnte angeben, welche Zeit ein Körper
für einen bestimmten Weg braucht. Der Körper, der die kürzere Zeit braucht, ist schneller
(Beispiel: 100-m-Lauf).
c) Man könnte die Geschwindigkeit des Körpers
angeben. Sie ist definiert als v = s/t.
– Bei einer gleichförmigen Bewegung ist die
Geschwindigkeit konstant, bei einer ungleichförmigen Bewegung erhält man aus dem
zurückgelegten Weg und der benötigten Zeit
die Durchschnittsgeschwindigkeit, bei sehr kleinen Zeitintervallen die Momentangeschwindigkeit, die z. B. bei Geschwindigkeitskontrollen
ermittelt oder mit dem Tachometer gemessen
wird.
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
51
Kopiervorlage
Bewegung von Körpern
Ein Körper ist
in Bewegung
in Ruhe
WENN ER SEINE LAGE GEGENÜBER EINEM BEZUGSKÖRPER
ändert
Geradlinige
Bewegung
nicht ändert
Kreisbewegung Drehbewegung Schwingung
Auto auf
gerader Strecke
Gondel eines
Riesenrads
Bohrer einer
Bohrmaschine
Pendel einer Uhr
Eine Bewegung kann erfolgen
gleichförmig
ungleichförmig
beschleunigt
Die Geschwindigkeit
bleibt immer gleich
groß.
z. B.
mit konstanter
Geschwindigkeit fahrendes Auto
verzögert
Die Geschwindigkeit
nimmt zu.
Die Geschwindigkeit
nimmt ab.
z. B.
anfahrender Zug
z. B.
bremsender Radfahrer
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52
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Die Geschwindigkeit von Körpern
Die Geschwindigkeit gibt an, wie schnell oder wie langsam sich ein Körper bewegt.
s
v = t
Allgemein gilt:
km
m
1 ----- = 3, 6 --------s
h
Zu unterscheiden ist zwischen Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit.
Durchschnittsgeschwindigkeit
Momentangeschwindigkeit
gibt an, welcher Weg in einer
bestimmten Zeit zurückgelegt wird.
gibt an, welche Geschwindigkeit
der Körper zu einem bestimmten
Zeitpunkt hat.
v=
A
s
t
v=
B
s
t
∆s
(für kleines ∆t)
∆t
∆s
∆t
Den Schülern sollte bewusst werden, dass die verschiedenen Geschwindigkeiten nicht an bestimmte
Bewegungsarten oder Bahnformen gebunden sind.
Es kann auch darauf aufmerksam gemacht werden,
dass die Momentangeschwindigkeit als eine gerichtete Größe betrachtet werden kann. Für die Durchschnittsgeschwindigkeit trifft das nicht zu.
geradlinig gleichförmige, sondern für beliebige
gleichförmige Bewegungen gilt.
Im weiteren wird die geradlinig gleichförmige
Bewegung genauer betrachtet.
1. Interessante Möglichkeiten der Unterrichtsgestaltung bis hin zu projektartigen Arbeiten bietet die Frage der Geschwindigkeitsmessung. Mit
den Schüler könnte erörtert werden, wie man
z. B. die Geschwindigkeit eines Radfahrers, eines
Balls, eines Autos, eines Läufers mit einfachen
Mitteln bestimmen kann. Erörterte Möglichkeiten der Geschwindigkeitsbestimmung sollten,
wenn das bei den gegebenen Bedingungen realisierbar ist, auch ausprobiert werden.
Für die Erarbeitung des Weg-Zeit-Gesetzes einer geradlinig gleichförmigen Bewegung bieten sich verschiedene Experimentieranordnungen an:
– Luftkissenbahn,
– Wagen auf Schienen,
– endloses Band,
– Faden mittels Experimentiermotor aufwickeln,
– Luftblase in einem wassergefüllten Glasrohr.
Die Experimente können als SE oder als DE durchgeführt werden. Genutzt werden kann auch das
beiliegende Arbeitsblatt.
Die Schüler sollten erfassen, dass man eine gleichförmige Bewegung in unterschiedlicher Weise charakterisieren kann (s. TB). Der Lehrer sollte beachten, dass diese Charakterisierung nicht nur für
Bei der Festigung bieten sich verschiedene Schwerpunkte an, die in Abhängigkeit von der Klassensituation und der Unterrichtskonzeption des Lehrers
unterschiedlich gewichtet werden können:
2. Ein Erkundungsauftrag für die Schüler könnte
darin bestehen, in Ergänzung der im LB enthaltenen Übersicht Geschwindigkeiten von Körpern
in Natur und Technik herauszufinden. In diesem
Zusammenhang können die Schüler auf spezielle
Einheiten der Geschwindigkeit (bei Schiffen:
1 Knoten = 1 Seemeile/Std. = 1852 m/h; bei Flugzeugen: 1 Mach = 340 m/s ª 1200 km/h) aufmerksam gemacht werden.
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
53
Kopiervorlage
Geschwindigkeiten in Natur und Technik
8
3 ·10
10
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (300000 km/s)
5
3
10
2
10
1
10
Erde um die Sonne (30 km/s)
Erdsatellit (7,9 km/s)
Schallgeschwindigkeit in Wasser (1480 m/s)
Geschoss (700 – 900 m/s)
Punkt am Äquator aufgrund der Erdrotation (464 m/s)
Schall in Luft (340 m/s)
Passagierflugzeug (250 m/s = 900 km/h)
Maximale Geschwindigkeit der Erregerleitung längs
der Nervenfasern beim Menschen (1 m/s ...100 m/s)
Orkan Windstärke 12 (> 33 m/s)
Brieftaube, Jagdhund (17 m/s)
Sprinter (10 m/s)
Fallschirmspringer bei geöffnetem Schirm (6 m/s)
Fußgänger (1,4 m/s = 5 km/h)
0
10
Golfstrom (1,1 m/s)
–3
Schnecke (1,6 mm/s)
Elektron bei Stromfluss (< 1 mm/s)
–6
Gletscher (6 · 10–6 m/s = 0,006 mm/s)
10
10
–9
10
–9
Wachstum eines Haars (3 · 10 m/s = 0,3 mm je Tag)
0
Geschwindigkeit
in m/s
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54
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Die geradlinig gleichförmige Bewegung
Bei einer gleichförmigen Bewegung
– ist v = konstant,
– erhält man im v-t-Diagramm eine Parallele
zur t-Achse,
– ist s ~ t,
– erhält man im s-t-Diagramm eine Gerade, die
durch den Nullpunkt verläuft.
v
t
s
t
Bei der Behandlung der gleichmäßig beschleunigten Bewegung wird man vom Erfahrungsbereich
der Schüler ausgehen und anhand von Beispielen
aus dem Sport, dem Straßenverkehr und dem sonstigen Freizeitbereich zunächst den Begriff beschleunigte Bewegung klären, der auch Bewegungen einschließt, bei denen sich die Geschwindigkeit
verringert. Von daher lässt sich der Begriff Beschleunigung allgemein als Geschwindigkeitsänderung in einem bestimmten Zeitintervall einführen.
Auf die Einführung eines negativen Vorzeichens bei
verzögerten Bewegungen kann verzichtet werden,
da in Klasse 9 nur mit Beträgen gearbeitet wird und
über die Richtung der Geschwindigkeitsänderung
verbale Aussagen getroffen werden.
Für die experimentelle Erarbeitung der Gesetze der
gleichmäßig beschleunigten Bewegung bieten sich
verschieden Möglichkeiten an:
– Reifenapparat,
– Luftkissenbahn,
– Fallrinne,
– Schienenwagen.
Besondere Aufmerksamkeit sollte bei allen Experimenten zur gleichmäßigen beschleunigten Bewegung der exakten Zeitmessung gewidmet werden,
da sich Fehler bei der Zeitmessung besonders deutlich auf die Ergebnisse auswirken.
Dazu empfiehlt sich der Einsatz elektronischer Zeitmesseinrichtungen. Dabei sind bezüglich der Anlage der experimentellen Untersuchungen zwei Varianten sinnvoll:
a) Es wird das Weg-Zeit-Gesetz experimentell erarbeitet und das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz
gegeben. Diese Variante ist zeitlich günstig und
ermöglicht es, mehr Zeit für die Festigung zu
nutzen.
Tafelbild
Beschleunigte Bewegungen
Alle Bewegungen, bei denen sich Betrag oder Richtung der Geschwindigkeit ändern,
werden als beschleunigte Bewegungen bezeichnet.
v1
v <v
v >v
1
2
v1
1
v2
∆t
2
v2
v1
v1 π v 2
v2
∆t
Bei geradlinigen Bewegungen gilt:
Die Beschleunigung gibt an, wie schnell sich
die Geschwindigkeit eines Körpers ändert.
a
∆v
= ------∆t
Bei gleichmäßig beschleunigten Bewegungen ist die Beschleunigung konstant.
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
55
Tafelbild
Die gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung
Für die gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung aus dem Stillstand gilt:
a
v
t
a = konstant
s
v~t
v=a·t
b) Es werden beide Gesetze experimentell erarbeitet. Zweckmäßigerweise sollte dabei beim
Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz die Geschwindigkeit direkt ermittelt werden.
Wichtig erscheint eine Interpretation beider Gesetze:
– Beim Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz sollten die
Schüler erfassen, dass die Geschwindigkeit mit
der Zeit gleichmäßig zunimmt bzw. abnimmt.
– Beim Weg-Zeit-Gesetz ist die (überproportionale) Vergrößerung des Weges mit der Zeit in
den Vordergrund zu stellen.
Der freie Fall wird als spezielle gleichmäßig beschleunigte Bewegung herausgestellt. Dabei ist zu
beachten, dass man den Begriff des freien Falls klären sollte, da viele Beispiele von fallenden Körpern,
die die Schüler kennen, nicht nach den Gesetzen
des freien Falls ablaufen. Beispiele dafür sind fallende Blätter, fallende Regentropfen, fallende Bälle
oder ein aus großer Höhe zunächst ohne Fallschirm
fallender Fallschirmspringer.
In allen diesen Fällen ist der Luftwiderstand so groß,
dass sich nach einer hinreichenden Flugzeit eine
konstante Sinkgeschwindigkeit einstellt. Diese liegt
– für eine frei fallende Person bei etwa 200 km/h,
– für einen Fußball bei etwa 75 km/h,
– für Regentropfen bei maximal 35 km/h.
Näherungsweise gelten die Gesetze des freien Falls
für Körper, die nur kurze Strecken fallen und bei
denen der Luftwiderstand vernachlässigbar ist. Dies
ist bei Experimenten zum freien Fall zu beachten.
Auch den Schülern sollte bewusst werden, dass der
freie Fall eine Idealisierung darstellt und man bei
realen Vorgängen dieser Idealisierung nur nahekommt.
t
s ~ t2
a · t2
s = ––
2
t
Im Rahmen der Festigung bietet es sich an, auch folgende Möglichkeiten mit einzubeziehen:
a) Die Zusammenhänge zwischen Weg und Zeit
werden sehr schön am Beispiel von Fallschnüren
deutlich, die sich jeder Schüler aus Bindfaden
und Schraubenmuttern herstellen kann.
Die Aufgabe für die Schüler könnte darin bestehen, eine Fallschnur so herzustellen, dass die
Zeitabstände zwischen dem Auftreffen der
Schraubenmuttern gleich groß sind.
b) Die Gesetze des freien Falls bieten auch eine einfache Möglichkeit, die Reaktionszeit eines Menschen zu bestimmen. Dazu lässt eine Person ein
ca. 40 cm langes Lineal fallen, die Versuchsperson
versucht es mit Daumen und Zeigefinger möglichst schnell zu halten. Aus dem Fallweg kann
man nach
t=
2s
-----g
die Reaktionszeit berechnen. Sie liegt im Durchschnitt zwischen 0,2 s und 0,3 s, also Fallwegen
von 20 cm bis 40 cm. Um Fehleinschätzungen,
insbesondere im Straßenverkehr, vorzubeugen,
sollten die Schüler aber deutlich auf Folgendes
aufmerksam gemacht werden: Wenn man auf
ein Ereignis vorbereitet ist, liegt die durchschnittliche Reaktionszeit tatsächlich bei 0,2 s –
0,3 s. Ist man aber nicht darauf vorbereitet, so
vergrößert sich die Reaktionszeit auf 0,8 s – 1,2 s
(„Schrecksekunde“).
c) Eine Aufgabe für die Schüler kann auch darin
bestehen, eine einfache Möglichkeit zur
Abschätzung der Höhe eines Gebäudes oder der
Tiefe eines Schachts zu entwickeln.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Die gleichförmige geradlinige Bewegung
Experimentieranordnung:
Lineal (Messstrecke)
Umlenkrolle
Uhr
Motor
Messwertetabelle:
Weg s in cm
Zeit t in s
st
cmin ------s
Auswertung:
a) Berechne jeweils den Quotienten s/t!
Vergleiche die Werte!
s
in cm
b) Zeichne das s-t-Diagramm! Welcher
Zusammenhang könnte zwischen Weg
und Zeit bestehen?
t in s
c) Durch welche Messfehler kann das Ergebnis beeinflusst sein?
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
57
Arbeitsblatt
Die gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung
Experimentieranordnung:
Messstrecke
Uhr
Messwertetabelle:
s in cm
t in s
t 2 in s2
s/t 2
in cm/s2
Auswertung:
a) Zeichne das s-t Diagramm!
Beschreibe den Zusammenhang in
Worten!
s
in cm
b) Berechne jeweils t 2 und den Quotienten s/t 2!
Vergleiche die Quotienten!
c) Durch welche Messfehler kann das Ergebnis beeinflusst worden sein?
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t in s
58
m
p
f
r
n
b
e
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.3.2 Newtonsche Gesetze
Schwerpunkte bei der Behandlung der Dynamik
sind:
– eine Wiederholung und Vertiefung des Begriffs
Kraft,
– die newtonschen Gesetze,
– Anwendungen zu den newtonschen Gesetzen,
– verschiedene Kräfte, die Bewegungen beeinflussen (Reibungskräfte, Radialkräfte).
An Beispielen aus ihrer Umwelt (Straßenverkehr,
Freizeitbereich) sollen die Schüler erfassen, dass
physikalisches Wissen auch persönlich bedeutsam
ist, z. B. ein sinnvolles Verhalten im Straßenverkehr
daraus abgeleitet werden kann.
2. Ablenkung einer rollenden Kugel im magnetischen Feld (Projektion mithilfe eines Overheadprojektors)
N
S
3. Spannen einer Feder (Zugfeder, Druckfeder)
Tonnenfuß
Viele der in Klasse 9 zu behandelnden Inhalte werden schon in Klasse 7 angesprochen. Aufgrund des
großen zeitlichen Abstands ist aber eine gründliche
Wiederholung dringend zu empfehlen, um einerseits zu erfassen, was die Schüler noch wissen bzw.
können und andererseits das notwendige Ausgangsniveau zu sichern. Dazu kann neben dem LB
auch das beiliegende Arbeitsblatt mit genutzt werden.
Es ist auch sinnvoll, eine Reihe von Experimenten
durchzuführen und die Wirkungen von Kräften sowie das paarweise Auftreten von Kräften zu demonstrieren. Dazu eignen sich z. B. folgende Experimente:
1. Ein Wagen mit einem Dauermagneten im Wirkungsbereich der Kraft eines Elektromagneten
4. Wechselwirkung zweier Wagen bzw.
Wagens mit einem feststehenden Körper
a)
eines
Faden / Feder
a) abstoßende Wirkung
Elektromagnet
b)
Wagen
Faden / Feder
b) anziehende Wirkung
Elektromagnet
Wagen
An diesem Beispiel kann auch verdeutlicht
werden, dass zwar stets zwei Kräfte auftreten,
aus Gründen der Zweckmäßigkeit aber häufig
nur eine der Kräfte betrachtet wird. Ein drastisches Beispiel für eine solche Betrachtungsweise ist die Gewichtskraft.
Die Auswertung der Experimente führt unmittelbar
zur Formulierung des Wechselwirkungsgesetzes (s.
TB).
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
59
Arbeitsblatt
Kräfte und ihre Wirkungen
1. Woran ist das Wirken einer Kraft erkennbar?
2. Ergänze die folgende Übersicht zu Wirkungen von Kräften!
Kräfte können hervorrufen
Bewegungsänderungen
von Körpern
Zerstörung
des Körpers
3. Ergänze die folgende Übersicht!
Formelzeichen der
Kraft
Einheiten der Kraft
Darstellung einer Kraft
4. Zeichne die wirkenden Kräfte ein und benenne sie!
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60
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Das Wechselwirkungsgesetz
FF
FT
FG
FG
FG
FG
ERDE
Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der beiden Körper eine Kraft.
Beide Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Allgemein gilt:
F1 = – F2
Ausgangspunkt für die Behandlung des Trägheitsgesetzes kann der Erfahrungsbereich der Schüler
sein (anfahrende, bremsende Fahrzeuge). Eine
andere Variante besteht darin, die Trägheit von
Körpern in einfachen Freihandversuchen zu
demonstrieren und von daher zu einer Formulierung des Trägheitsgesetzes zu gelangen.
d) Bewegung eines Wagens auf einem Brett
(Anziehen des Bretts, Abbremsen aus gleichförmiger Bewegung)
Trägheit von festen Körpern
a) Wegziehen einer Karteikarte/eines Blattes Papier
Münze
Trägheit von Flüssigkeiten
Eine Glasschale mit Wasser wird in unterschiedlicher
Weise bewegt:
5
a) beschleunigte
Bewegung
Glas
b) Wegschlagen einer Streichholzschachtel unter
einem Glas
Glas
c) Langsames und schnelles Anheben eines schweren Körpers, der an einem Faden befestigt ist.
b) gleichförmige
Bewegung
c) verzögerte
Bewegung
Trägheit von Gasen
Am Beispiel eines Trinkhalms, der über eine Tischkante hinausragt, wird gezeigt:
a) Schlägt man mit einem Lineal auf den überstehenden Teil des Trinkhalms, so fliegt der Trinkhalm weg.
b) Legt man ein Blatt Papier auf den Trinkhalm und
schlägt (hinreichend schnell), so geht der Trinkhalm kaputt.
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
61
Tafelbild
Das Trägheitsgesetz
Trägheit ist die Eigenschaft eines Körpers, einer Bewegungsänderung einen Widerstand
entgegenzusetzen.
Ist die Summe der auf einen Körper wirkenden Kräfte null, so bleibt der Körper in Ruhe
oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung:
v = konstant
bei F = 0
Damit kann Trägheit eingeführt werden als Eigenschaft aller Körper, einer Bewegungsänderung einen Widerstand entgegenzusetzen.
Daran anschließend kann die Frage diskutiert werden, wie sich ein Körper bewegt, wenn die Summe
der auf ihn wirkenden Kräfte null ist.
Wenn quantitative Experimente durchgeführt werden, dann müssen einige Zusammenhänge berücksichtigt werden, wie an der nachfolgenden Experimentiereinrichtung dargestellt:
mW
Für die Festigung bietet das LB ein Aufgabenangebot. Diskutiert werden sollten mit den Schülern
auch Beispiele, aus denen sich unmittelbar Folgerungen für ein zweckmäßiges Verhalten ableiten
lassen (Trägheit von Fahrzeugen, Sicherung von
Gepäck bei Fahrzeugen, Gefährlichkeit von frei liegenden Gegenständen z. B. auf der hinteren
Ablage eines Pkw u. Ä.).
Für die Erarbeitung der Zusammenhänge beim
newtonschen Grundgesetz gibt es unterschiedliche
experimentelle Möglichkeiten, z. B.:
– Luftkissenbahn in Kombination mit einem
Beschleunigungsmesser,
– Schienenbahn,
– Reifenapparat,
– Fallrinne,
– atwoodsche Fallmaschine.
Von der Auswahl der Experimentieranordnung
hängt es auch ab, welche der Zusammenhänge man
experimentell untersuchen kann und welche man
den Schülern mitteilt.
Zu überlegen ist auch, ob man relativ aufwendige
quantitative Experimente durchführt oder sich auf
einfache Experimente beschränkt, mit denen man
Tendenzaussagen in der Form erhält:
– Je größer die Kraft F, desto größer die Beschleunigung a,
– Je größer die Masse m, desto kleiner die
Beschleunigung a.
mB
F
Beschleunigt wird immer die Gesamtmasse mW + mB .
Untersucht man z. B. den Zusammenhang zwischen
F und a, so muss die Gesamtmasse konstant sein.
Brauchbare Ergebnisse erhält man auch dann noch,
wenn man mB variiert und mW >> mB .
Die beschleunigende Kraft ist nicht die Gewichtskraft FB = mB · g des Massestücks. Da sich dieses Massestück beschleunigt nach unten bewegt, wirkt die
Kraft F = mB (g – a). Vernünftige Werte bekommt
man nur, wenn a << g ist.
Die wichtigsten Erkenntnisse für die Schüler sind im
TB zusammengefasst.
Als komplexe Anwendung zu den Bewegungsgesetzen und den newtonschen Gesetzen bietet sich die
Realisierung eines Projekts mit dem Thema „Gefahren im Straßenverkehr bei Bremsvorgängen“ an.
Dazu kann auch die beiliegende Kopiervorlage
genutzt werden. Anhand der dort genannten Zeiten und festzulegender Massen können auch unterschiedliche quantitative Betrachtungen durchgeführt werden.
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62
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Das newtonsche Grundgesetz
Zusammenhang zwischen Kraft
und Beschleunigung
(m = konstant)
a
Zusammenhang zwischen Masse
und Beschleunigung
(F = konstant)
a
m
F
Je größer die wirkende Kraft,
desto größer die Beschleunigung.
Je größer die Masse des Körpers,
desto kleiner die Beschleunigung.
Beispiel:
Pkw mit stärkerem Motor kann
schneller anfahren.
Beispiel:
Beladener Lkw fährt langsamer an
als gleichartiger unbeladener Lkw.
Allgemein gilt: F = m · a
Sinnvoll ist es, auf Reibungskräfte einzugehen, die
immer so wirken, dass Bewegungen gehemmt oder
verhindert werden. Bei Diskussionen zur Bewegung
von Fahrzeugen bietet es sich auch an, die Luftwiderstandskraft einzubeziehen, die insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten wegen Fw ~ v 2 entscheidenden Einfluss auf die Bewegung haben kann.
Diskutiert werden sollten mit den Schülern auch die
Kräfte, die auf ein Auto wirken, das mit konstanter
Geschwindigkeit auf einer ebenen Straße fährt.
Beim Anwenden des Energieerhaltungssatzes auf
Bewegungsvorgänge wird an Inhalte angeknüpft,
die in Klasse 7 im Lernbereich „Energiewandler“
behandelt werden.
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Lernbereich 3: Bewegungsgesetze
Zeitlicher Ablauf der Schutzwirkung von Sicherheitsgurt und Airbag
Kopiervorlage
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63
64
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs
5 Hinweise zu den Experimenten
des Lehrbuchs
Grundlagen der Elektronik
Halbleiterwiderstände (LB S. 12)
1. Die folgende Tabelle bzw. die Diagramme zeigen ein Messbeispiel für einen NTC-Widerstand von 4,7 kΩ (bei 25 °C).
J in °C
20
30
40
50
60
70
80
90
U in V
3
3
3
3
3
3
3
3
0,6
0,9
1,39
2,1
3,15
4,5
6,77 10,1
5000
3333
2158
1429
952
667
443
I in
mA
R in W
297
100
3
13,95
215
I in mA
16
14
12
10
8
stellt sich nach kurzer Zeit eine konstante Wärmeübertragung ein. Die Temperatur des Sensors bleibt gleich. Am
Strommesser kann eine unveränderte, geringe Stromstärke
abgelesen werden.
Erreicht der Flüssigkeitsspiegel den Sensor, so kühlt dieser
augenblicklich ab. Der damit verbundene starke Anstieg der
Stromstärke kann als Maß für das Erreichen des Füllstandes
gedeutet werden.
Im Vergleich von Kaltleitern und Halbleitern sollte hervorgehoben werden, dass bei Kaltleitern mit der Abnahme der
Temperatur die Stromstärke ansteigt, bei Heißleitern dagegen die Stromstärke kleiner wird.
4. Der Fotowiderstand wird mit einer elektrischen Quelle und
einem Strommesser in Reihe geschaltet. Bei völliger Dunkelheit fließt kein Strom im Stromkreis, bei Beleuchtung nimmt
sein Widerstand ab und wird umso kleiner, je mehr Licht auf
ihn fällt, je dichter sich die Taschenlampe also befindet. Bei
der Auswertung ist hervorzuheben, dass ein LDR ein lichtempfindlicher Sensor ist: Er registriert „Licht“ oder „kein
Licht“. Das wird beim Schließen von Türen in Aufzügen
genutzt. „Licht“ heißt „Tür schließen“, „kein Licht“heißt
„Tür nicht schließen“. Auf der einen Seite der Aufzugstür
befindet sich eine Lichtquelle, auf der anderen der Fotowiderstand.
Eigenschaften von Halbleiterdioden (LB S. 14)
6
4
2
0
0
20
30
40
50
60
70
80
90 100 J in °C
Bei der Bestimmung unbekannter Temperaturen ist darauf
zu achten, dass die Schüler die Stromstärke ermitteln, die bei
derselben Spannung von 3 V durch den Heißleiter fließt.
Eine Erweiterung der Aufgabenstellung stellt die Berechnung des jeweiligen Widerstandswertes bei den gemessenen
Temperaturen dar. Auch die grafische Darstellung im R-JDiagramm ist eine mögliche Erweiterung und zur Differenzierung des Unterrichts geeignet.
R in Ω
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
20
30
40
50
60
70 80
90
100
J in °C
2. Da es in diesem Experiment um halbquantitative Aussagen
geht, kann ein beliebiger Spielzeugmotor verwendet werden. Deutlich wird, dass sich mit zunehmender Beleuchtungsstärke die Drehzahl des Motors erhöht.
3. Aus den beiden Messungen erkennen die Schüler:
Befindet sich der Füllstand unterhalb des Kaltleiters (Sensors), dann führt der Stromfluss zu einer Eigenerwärmung
des Kaltleiters. Dadurch steigt der elektrische Widerstand
und der Strom nimmt ab. Zwischen dem Sensor und der Luft
1.–3. Die Experimente 1 bis 3 machen die Schüler mit wichtigen
Eigenschaften von Dioden vertraut. Während es in Experiment 1 um das Erkennen der Durchlass- bzw. Sperrrichtung
einer Diode geht, wird in Experiment 2 deutlich, wie groß
der Widerstand einer Diode ist. Beim Überbrücken der
Diode wird der Gesamtwiderstand kleiner und demzufolge
steigt die Stromstärke an. Die Lampe leuchtet heller. In
Experiment 3 erkennen die Schüler, dass eine Leuchtdiode
eine spezielle Halbleiterdiode ist, und demzufolge den
Strom auch nur in einer Richtung durchlässt, sodass Lampe
und LED leuchten.
4. Es ist unbedingt darauf zu achten, bis zu welcher Stromstärke die Dioden belastet werden können.
Wurden die Schüler in der Klasse 8 mit den Unterschieden
zwischen einer strom- bzw. spannungsrichtigen Messschaltung vertraut gemacht, dann kann die Anleitung differenzierter erfolgen:
– Für die Durchlassrichtung ist oberhalb der Schwellspannung die spannungsrichtige Schaltung zu bevorzugen. Bis
zur Schwellspannung sollte stromrichtig gemessen werden.
– Für die Sperrrichtung ist grundsätzlich die stromrichtige
Schaltung zu wählen, da sonst der Messstrom des Spannungsmessers einen sinnlosen Diodenstrom liefert.
Die Schaltungen können den Schülern gegeben werden.
Beim Zeichnen der I-U-Kennlinien ist es sinnvoll, bei der
Spannungsachse in Durchlassrichtung eine Schrittweite von
0,2 V und in Sperrrichtung von 1 V zu wählen. Die Teilung
der Stromstärkenachse richtet sich nach dem verwendeten
Diodentyp.
Bei Siliciumdioden setzt ab etwa 0,7 V ein merklicher Stromfluss ein, bei Germaniumdioden schon bei etwa 0,35 V.
5.– 6. In diesen Experimenten können die Schüler Fertigkeiten im
Aufbau von elektronischen Schaltungen und in der Interpretation von Kennlinien erwerben. Sie erkennen die Vorzüge der Nutzung eines grafikfähigen Taschenrechners
(GTR). Im Lehrbuch gibt es auf den Seiten 90 und 91 eine
Anleitung zum Verarbeiten von Messwerten mit einem
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Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs
GTR. Obwohl diese an einem Beispiel aus der Kinematik
dargestellt worden ist, ist sie auf den Sachverhalt im Experiment übertragbar.
Um Dioden zu schützen, wird ein Widerstand in Reihe
geschaltet. Seine Berechnung ergibt sich aus
U = UR + US und UR = R ⋅ IDiode
Durch Einsetzen und Umstellen folgt
U–U
R = ----------------S
I Dioden
Bei Zenerdioden ist zu beachten, dass sie in Sperrrichtung
betrieben werden.
Im Ergebnis der Experimente ergeben sich Kennlinien, ähnlich wie in den Abbildungen 1 und 3 des Lehrbuchs. Während Leuchtdioden vor allem zur Anzeige und zunehmend
auch zu Beleuchtungszwecken eingesetzt werden, nutzt
man Zenerdioden z.B. zur Spannungsbegrenzung.
Eigenschaften von Transistoren (LB S. 18)
1. Das Experiment ist für die Erarbeitung der Wirkungsweise
eines Transistors geeignet. Durch die Verwendung jeweils
einer Spannungsquelle für Basis- und Kollektorstromkreis
können die Stromkreise noch gut übersehen werden. Die
Schüler erkennen, dass die Basisstromstärke viel kleiner als
die Kollektorstromstärke ist.
2. Der Aufbau der Schaltung stellt hohe Anforderungen an die
Schüler. Deshalb ist es hilfreich, auch in diesem Schaltplan
zunächst den Basis- und Kollektorstromkreis mit zwei verschiedenen Farben zu kennzeichnen. Um für eine bestimmte
Kollektor-Emitter-Spannung verschiedene Messwertepaare
zu erhalten, muss mit dem Potenziometer im Basisstromkreis
die Basisstromstärke geregelt werden. Das Experiment eignet sich, um mit dem grafikfähigen Taschenrechner die Messwerte darzustellen. Eine Erweiterung der Aufgabenstellung
besteht in der Berechnung der Anstiege der Kurven. Sie
machen eine Aussage über die Stromverstärkung des Transistors.
3. Das Experiment soll den Schülern Einblicke in die Verwendung des Transistors für einfache technische Aufgabenstellungen geben. Gleichzeitig werden die Kenntnisse über
Transistoren und Fotowiderstände verknüpft.
Energieversorgung
Elektromagnetische Induktion und Anwendungen (LB S. 55)
1. Durch das Experiment erkennen die Schüler, dass es auf die
Relativbewegung von Magnet und Spule ankommt, sodass
mehr oder weniger Feldlinien von der Spule umfasst werden.
Das gilt ebenso für die Drehung des Magneten um seine
Querachse. Nur bei der Drehung des Magneten um seine
Längsachse wird keine Spannung induziert, weil sich der
räumliche Anteil des Magnetfelds, der von der Spule umfasst
wird, nicht ändert.
2. Das Experiment ist geeignet, Kenntnisse und Fähigkeiten der
Schüler zu magnetischem Feld, elektromagnetischer Induktion, Transformator und Wirkungsgrad in komplexer Weise
an einem technischen Gerät zu verknüpfen und damit zu
vertiefen. Es stellt hohe Anforderungen an die experimentellen Fähigkeiten der Schüler, weil mehrere Größen gleichzeitig u. U. an Vielfachmessern mit unterschiedlich eingestellten
Messbereichen abgelesen werden müssen. Durch Verwen-
65
dung gleicher Windungszahlen für Primär- und Sekundärspule können auch gleiche Messbereiche jeweils für Spannungs- und Stromstärkemessgeräte verwendet werden. Solche Transformatoren werden als Transformatoren zur
Schutzisolierung von Elektroanlagen eingesetzt. Eine Messwertetabelle kann z. B. wir folgt angelegt werden:
Einstellungen I2 in mA U2 in V
I1 in mA
U1 in V
h
1…
8
Im Diagramm soll ein Maximum für den Wirkungsgrad
erkennbar sein.
3. In der Vorbereitung erarbeiten die Schüler das Prinzip der
Fernübertragung. Das Prinzip besteht darin, dass in einem
Kraftwerk die Spannung hochgespannt wird. Damit verringern sich die Stromstärke und damit auch die Wärmeverluste, die bei größeren Stromstärken unvermeidlich wären.
In der Nähe der Verbraucher erfolgt ein Herunterspannen
auf die Spannungen, die von den Abnehmern genutzt werden.
Bewegungen und ihre Ursachen
Geradlinige Bewegungen (LB S. 96)
1. Die Anleitung für das Experiment ist sehr ausführlich, sodass
die Schüler selbstständig arbeiten können. Das Experiment
eignet sich auch gut als Hausexperiment.
2. Schüler, die die Beobachtungen in Experiment 1 erklären
können, sind meistens auch in der Lage, eine Voraussage für
eine Fallschnur zu treffen, bei der Schraubenmuttern in gleichen Abständen angebracht sind. Auch dieses Experiment ist
als Hausaufgabe geeignet.
3. Die Freihandexperimente sind geeignet, die Aussagen experimentell zu überprüfen. Die Schüler erkennen, dass der
Wahrheitsgehalt der Aussagen von den Versuchsbedingungen abhängt. Die daraus gewonnenen Einsichten sind geeignet, um die Bedingungen zu diskutieren, bei denen die
Gesetze des freien Falls angewendet werden können oder
nicht.
4. Die Anleitung des Experiments ist bewusst sehr knapp angelegt worden. So werden die Fähigkeiten der Schüler zur Planung und systematischen Durchführung herausgefordert.
Hilfen für Schülergruppen sollten differenziert erfolgen.
Das Experiment verknüpft die Kenntnisse der Schüler über
grundlegende Gesetze der geradlinig gleichförmigen und
der gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Umso wichtiger
ist es, dass die Schüler verstehen, was eine gleichförmige und
eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung unterscheidet.
Die Neigung der geneigten Ebene sollte nicht zu groß sein
(ca. 5 °). Auf der ebenen Bahn sind mindestens fünf verschieden lange Strecken zu kennzeichnen.
Das Experiment eignet sich gut, um eine Fehlerdiskussion mit
den Schülern zu führen. Das beginnt bereits in der Phase der
Vorbereitung. Um sicher zu stellen, dass sich die Kugel auf
der Auslaufschiene auch wirklich gleichförmig bewegt, sollten die Schüler für eine bestimmte Strecke mindestens dreimal die Zeit messen. Zur Verringerung der Messfehler sollte
der Schüler, der die Zeit stoppt, auch die Kugel starten. Für
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66
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs
die Schüler ist das Verständnis wichtig, warum bei diesem
Experiment durch eine Mittelwertbildung der Zeit die Messfehler verkleinert werden können.
4. Da das Ergebnis des Experiments bereits durch die Aufgabenstellung bekannt ist, kommt es darauf an, dass die
Schüler die verschiedenen Varianten ausprobieren und jedes
Mal die Bedingungen benennen.
Kraft und Bewegung (LB S. 120)
1. In der Versuchsskizze die beschleunigende Kraft und die
Masse zu erkennen, die beschleunigt wird, stellt hohe Anforderungen an die Schüler. Diese Erkenntnis ist aber unabdingbar, um die Versuchsdurchführung zu verstehen. Erst wenn
die Anordnung mit konstanter Geschwindigkeit absinkt,
macht es Sinn, sie zu beschleunigen. Aber schon die Feststellung der Konstanz der Geschwindigkeit stellt hohe Anforderungen an die Schüler. Ein Abschätzen ist zu ungenau.
2. a) Auf die Voraussage sollte auf keinen Fall verzichtet werden. Sie ist durchaus nicht trivial. Die Papierschlaufen
erscheinen vielen Schülern leicht zu zerreißen.
b) Das Experiment sollte mehrmals wiederholt werden.
Dabei kann auch der Unterschied gezeigt werden, was
passiert, wenn man nur langsam auf den Stab schlägt.
c) Wegen der Trägheit werden die Papierschlaufen nicht
zerreißen.
3. Die Anleitung ist bewusst offen gehalten, damit die Schüler
selbstständig die entsprechenden Materialien und den
Ablauf des Experiments wählen können. Bei der Auswertung
sollte Wert auf die Begründung gelegt werden, auch die
schnelle und langsame Bewegungsänderung ist zu thematisieren.
5. Die Schüler werden feststellen, dass sie sich in die entgegengesetzte Wurfrichtung bewegen. Interessant ist auch eine
Erweiterung der Aufgabenstellung: Die Schüler sollen untersuchen, wovon es abhängt, wie weit sie sich mit dem Skateboard bewegen. Hier bietet sich auch ein kleiner Wettbewerb an.
6. Auch wenn das Ergebnis des Experiments immer dasselbe ist,
sollten Varianten durchgeführt werden:
– Zunächst übt nur der links stehende Schüler eine Kraft aus,
der rechts stehende hält den Kraftmesser lediglich fest.
– Nun bleibt der links stehende Schüler inaktiv und der
rechts stehende zieht am Federkraftmesser.
– Im dritten Schritt wirken beide mit ihren Muskelkräften
auf die Federkraftmesser ein.
– Besonders verblüfft es Schüler immer wieder, wenn sie
passiv bleiben und der Federkraftmesser in ihrer Hand
trotzdem dieselbe Kraft wie bei einem aktiven Schüler
anzeigt. Eine weitere Variante wäre, einen der beiden
Federkraftmesser an einem Wandhaken zu befestigen,
sodass eine persönliche Beeinflussung des Ergebnisses ausgeschlossen werden kann.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
67
6 Lösungen der Aufgaben des
Lehrbuchs
Grundlagen der Elektronik
Eigenschaften elektronischer Bauelemente (LB S. 27–28)
1. Bei Lichteinfall auf Halbleiter werden Ladungsträger freigesetzt. Liegt eine Spannung am Halbleiter an, dann erhöht
sich der Stromfluss durch den Halbleiter. Halbleiter unterscheiden sich darin, wie sie auf Wärme reagieren. Bei Heißleitern erhöht sich durch Wärme die Beweglichkeit der Teilchen, der Widerstand wird größer. Außerdem werden bei
Erhöhung der Temperatur Ladungsträger freigesetzt, sodass
die elektrische Stromstärke zunimmt. Dieser Vorgang überwiegt. Bei Kaltleitern wird mit Erhöhung der Temperatur der
Widerstand größer und demzufolge wird der Stromfluss
geringer.
2. a) Es ist der Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und dem durch die Beleuchtung hervorgerufenen
Strom dargestellt. Mit zunehmender Beleuchtungsstärke
erhöht sich die Stromstärke. Es besteht aber keine direkte
Proportionalität. Mit zunehmender Beleuchtungsstärke
wächst die Stromstärke immer weniger an.
b) Je stärker der Fotowiderstand beleuchtet wird, desto
mehr Elektronen werden freigesetzt. Folglich vergrößert
sich auch die Stromstärke. Die Anzahl der Elektronen, die
freigesetzt werden, ist aber begrenzt. Damit ergibt sich
auch für die Stromstärke ein maximaler Wert.
dem Bildschirm erscheint das vollständige Bild des Wechselstroms.
6. a) L1
L2
b) L1
L2
c) L1
L2
Durchlassrichtung
Sperrrichtung
Sperrrichtung
Durchlassrichtung
einfacher Stromkreis
U=0
leuchtet
dunkel
dunkel
leuchtet
leuchtet
dunkel
7. Schaltplan für einen Polprüfer: Die grüne LED ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei vertauschten Anschlüssen leuchtet die rote LED. Zur Demonstration der Wirkungsweise können verschiedene Arten von Batterien überprüft werden.
rot
grün
3. a) Der Widerstand wird kleiner. Bei Temperaturerhöhung
treten zwei Effekte auf: Zum einen erhöht sich die
Beweglichkeit der Teilchen und damit der Widerstand.
Zum anderen erhöht sich die Anzahl der Ladungsträger
und damit die Stromstärke. Insgesamt überwiegt der
zweite Effekt.
b) Mit zunehmender Temperatur sinkt der Widerstand des
Heißleiters. Dadurch würde sich bei U = konst. die Stromstärke vergrößern. Durch einen Vorwiderstand wird der
Strom im Stromkreis auf einen bestimmten Wert
begrenzt.
8. Lumineszenzdioden sind klein, leicht, unzerbrechlich, langlebig, leistungsstark und Strom sparend. Sie benötigen bei
gleicher Lichtleistung lediglich etwa 10 % der Energie von
Glühlampen. Sie entwickeln im Vergleich zu Glühlampen
kaum Wärme, die abgeführt werden muss. Die Herstellungskosten sind noch hoch. LED werden zunehmend auch für
Beleuchtungszwecke interessant. Für manche Menschen ist
aber der Farbeindruck von weißen LED gewöhnungsbedürftig, ähnlich Leuchtstoffröhren im Wohnbereich. Die bisher
hellste weiße Leuchtdiode von Osram übersteigt deutlich die
Lichtausbeute von Glühlampen und Leuchtstoffröhren. Ihre
durchschnittliche Lebensdauer beträgt bei acht Stunden
Betriebsdauer pro Tag fast 18 Jahre.
Organische Lumineszenzdioden (OLED, englisch organic
light emitting diode) können – im Gegensatz zu konventionellen LED – flexibel und großflächig aufgebracht werden.
Sie sind leicht, dünn und blendfrei.
4. a)
9. a)
J
Display
Spannungsquelle
b)
S1
S2
L1
L2
zu
auf
–
X
auf
zu
–
X
zu
zu
–
X
S1
S2
L1
L2
zu
auf
X
–
auf
zu
–
X
zu
zu
X
X
b) z. B. Heißleiter
Bei Temperaturänderung ändert sich der Widerstand und
daraufhin die Stromstärke. Je höher die Temperatur,
desto geringer ist der Widerstand und desto größer ist die
Stromstärke. Die Stromstärke ist damit ein Maß für die
Temperatur. Hinweis: Es können auch Kaltleiter verwendet werden.
c) In Abhängigkeit von der Temperatur ändert sich die
Stromstärke. Über eine elektronische Schaltung wird ein
Display gesteuert.
10. Vorteile sind vor allem:
– Die Leitfähigkeit erhöht sich gegenüber der Eigenleitung
um den Faktor 105 bis 107.
– Die Leitfähigkeit kann gezielt beeinflusst werden.
5. a) Es erscheint die untere Halbkurve des Wechselstroms, weil
der Strom jetzt in der entgegengesetzten Richtung hindurchgelassen wird.
b) Beim Überbrücken der Diode wird sie unwirksam und auf
11. Eine Halbleiterdiode besteht aus einem p-Leiter und einem
n-Leiter. Zwischen den beiden bildet sich eine Grenzschicht
(pn-Übergang) aus.
Wirkungsweise: s. LB S. 21
c) Experiment
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68
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
12. a) Ein Schalter ist durch die Zustände „Ein“ und
„Aus“gekennzeichnet. Diese Zustände können beim Transistor durch Veränderung der Basis-Emitter-Spannung
erreicht werden:
UBE < 0,7 V: Es fließt kein Kollektorstrom.
UBE > 0,7 V: Es fließt ein Kollektorstrom.
b) Transistoren schalten kontaktfrei, benötigen geringe
Steuerspannungen, ermöglichen eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Mit einer einfachen Transistorschaltung ist
es allerdings nicht möglich, einen Stromkreis zu schalten,
in dem große Stromstärken fließen.
13. a) Dunkelschaltung B siehe LB S. 25
b) Bei der Hellschaltung soll der Arbeitsstromkreis eingeschaltet werden, wenn der Fotowiderstand beleuchtet
wird. Dazu eignet sich folgende Schaltung:
M
+
–
Wird der Fotowiderstand nicht beleuchtet, so ist sein
Widerstand groß. An ihm liegt eine große, am Widerstand
R eine kleinere Spannung (UR < 0,7 V) an. Bei Beleuchtung
verringert sich der Widerstand des Fotowiderstands. An
ihm fällt dann eine kleinere, am Widerstand R eine größere Spannung ab. Der Kollektorstrom wird eingeschaltet.
14. Über die rote Leitung fließt Strom. Die anliegende Spannung
UBE ist klein: Es fließt kein Basisstrom. Beim Reißen der Sicherungsleitung wird eine ausreichend hohe UBE im EmitterBasis-Kreis anliegen und der erforderliche Basisstrom kann
fließen.
15. a) LB S. 22
b) LB S. 22
16. Mögliche Halbleiterbauelemente: Heißleiter, Kaltleiter, Fotozelle, Fotowiderstand, Lichtemitterdiode, Halbleiterdiode,
Transistor. Die Darstellung wird stark von den Unterrichtsschwerpunkten und vom Erfahrungsbereich von (einzelnen)
Schülern beeinflusst.
17. Erkundungsaufgabe
Energieversorgung
b) Keine Induktionsspannung. Das von der Spule umfasste
Magnetfeld ändert sich nicht.
c) Induktionsspannung. Das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert sich ständig.
d) Induktionsspannung. Das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert sich.
3. a) Eine Änderung des von Spule 2 umfassten Magnetfelds
kann z. B. erreicht werden durch
– Schließen oder Öffnen des Schalters,
– Veränderung der Spannung und damit Veränderung
der Stromstärke durch Spule 1,
– Bewegen von Spule 2.
b) Möglichkeiten sind u. a.
– die Erhöhung der Gleichspannung,
– die Vergrößerung der Windungszahl der Erregerspule
oder der Induktionsspule,
– die Erhöhung der Schnelligkeit der Stromstärkeänderung und somit der Änderung der magnetischen Feldstärke,
– die Vergrößerung der Querschnittsfläche der Spulen.
4. a) Experiment II: Je größer N, desto größer Ui .
b) Experiment I: Je schneller sich das Magnetfeld ändert,
desto größer ist Ui.
c) Experiment II: Je stärker sich das Magnetfeld ändert,
desto größer ist Ui.
d) Experiment I: Je größer die Querschnittsfläche, desto größer Ui.
5. Liegt an einer Spule eine Wechselspannung, so ändert sich
ständig das von der Spule selbst umfasste Magnetfeld. Demzufolge wird in ihr eine Spannung induziert, die einen Strom
hervorruft (Selbstinduktion). Nach dem lenzschen Gesetz ist
dieser Induktionsstrom so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt, also dem ursprünglichen
Strom. Die Spule wirkt damit im Wechselstromkreis wie ein
Widerstand.
6. a) Unter einer glaskeramischen Platte sind Spulen verschiedener Induktivität installiert. Beim Fließen eines Wechselstroms wird um diese Spulen ein magnetisches Feld aufgebaut. Das Feld durchdringt die Keramikkochfläche.
Werden Metallgegenstände in das Kochfeld gebracht,
induzieren die magnetischen Felder Wirbelströme, die
das Material stark erhitzen.
b) Nur in Metallen (Kupfer, Aluminium, Stahl, u. Ä.) können
Wirbelströme entstehen.
c) Geringe elektrische Arbeit im Leerlauf, dadurch Energieeinsparung, geringe Erwärmung im Leerlauf, geringe
Gefahr für Verbrennungen, rasche Abkühlung nach der
Benutzung, geringe Energieverluste, da es keine Heizplatte gibt, von der Wärme an die Umgebung abgestrahlt
wird.
Elektromagnetische Induktion (LB S. 56–58)
1. a) Die Stärke des Magnetfelds ist überall gleich. Es ist ein
homogenes Feld.
Fall 1: keine Induktionsspannung, da sich das von der Leiterschleife umfasste Magnetfeld nicht ändert.
b) Fall 2: Induktionsspannung. Das von der Leiterschleife
umfasste Magnetfeld ändert sich.
c) Die Spule befindet sich im Magnetfeld (Längsachse in
Richtung Feldlinien) und wird um die Längsachse
gedreht.
2. a) Induktionsspannung. Das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert sich.
7. a) Die stromdurchflossene Induktionsschleife ist von einem
magnetischen Feld konstanter Stärke umgeben. Darüber
hinweg fahrende Fahrzeuge wirken wie ein Eisenkern
einer Spule und verändern die Stärke des Magnetfelds.
Dadurch entsteht aufgrund des Induktionsgesetzes eine
Induktionsspannung und ein Induktionsstrom, die registriert werden können.
b) Induktionsschleifen werden z. B. vor Ampeln angebracht,
um Ampeln je nach Verkehrsfluss zu steuern. Man kann
sie auch nutzen, um die Anzahl der Fahrzeuge zu ermitteln, die eine bestimmte Stelle passieren.
c) Die Geschwindigkeit kann mit zwei Induktionsschleifen in
Verbindung mit einer Zeitmessung bestimmt werden. Aus
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
69
dem Abstand der Induktionsschleifen (Weg) und der
gemessenen Zeit ergibt sich die Geschwindigkeit.
d) t = s / v
t = 50 m / (100 km/h)
t = 1,8 s
8. a) Bei der Umschaltung des Motors auf Generatorbetrieb
wird die mechanische Energie der Bewegung in elektrische Energie umgewandelt. Verringerung der kinetischen
Energie bedeutet Verringerung der Geschwindigkeit.
b) Bei der Nutzbremsung wird keine elektrische Energie
dem Leitungsnetz entnommen. Vielmehr wird ihm elektrische Energie zugeführt. Es entsteht also bei dieser Art
der Bremsung nutzbare Energie in Form elektrischer Energie.
Hinweis: Bei anderen Arten der Bremsung, z. B. bei Pkw,
muss zum Bremsen Energie aufgewendet werden. Die
entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben
und nicht genutzt.
9. a) elektrische Energie B Rotationsenergie
b) mechanische Energie des Wassers oder Energie des Wasserdampfs B Rotationsenergie der Turbine B elektrische Energie
c) elektrische Energie B Energie des magnetischen Felds
B elektrische Energie.
10. Induktionsöfen wirken wie ein Transformator, bei dem die
Sekundärspule durch ein zu härtendes Werkstück ersetzt
wird. Dieses Werkstück wird in die Primärspule gebracht. Der
in der Primärspule fließende Wechselstrom baut ein magnetisches Wechselfeld auf, welches das massive Werkstück
durchsetzt und in ihm aufgrund des Induktionsgesetzes
einen Induktionsstrom erzeugt. Der Induktionsstrom führt
als Wirbelstrom zu einer starken Erwärmung des Werkstücks
(bis zur Glut). Im weiteren Verlauf des Produktionsprozesses
kann durch Abkühlung mittels verschiedener Flüssigkeiten
(Wasser, Öle, u. a.) das Material oberflächengehärtet oder
durchgängig gehärtet werden.
11. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer und
zugeführter Energie. Da eine 100 %ige Energieumwandlung
ausgeschlossen ist, wird durch die Angabe des Wirkungsgrads der Anteil nutzbarer Energie genannt. Im Beispiel können maximal 98 % bis 99 % der zugeführten Energie genutzt
werden. Zwischen 1 % und 2 % der elektrischen Energie wird
in Wärme umgewandelt.
induziert. Die induzierte Spannung wird den Wiedergabegeräten (Lautsprecher) zugeführt, die die Spannungsschwankungen in Schallschwingungen wandeln.
15. Der großen Windungszahl der Primärspule steht eine kleine
Windungszahl der Sekundärspule gegenüber. Nach dem
Stromstärkeübersetzungsverhältnis fließt im Schmelztiegel
ein sehr hoher Strom, der z. B. Blei oder Lötzinn zum Schmelzen bringt.
16. a) hohe Spannung: kleine Primärwindungszahl, große
Sekundärwindungszahl
hohe Stromstärke: große Primärwindungszahl, kleine
Sekundärwindungszahl
b) Alle anderen Varianten widersprechen dem Energieerhaltungssatz (Im Idealfall ist E = U · I · t = konstant).
c) Hochspannungstransformator: Kraftwerk, Umspannwerk, Zündspule bei Pkw
Hochstromtransformator: Schweißtrafo
17. Für die Spannungsübersetzung gilt:
U1/U2 = N1 /N2
Die Windungszahlen müssen im gleichen Verhältnis wie die
Spannung stehen:
U1/U2 = 20000 V/380000 V = 1/19
Die Windungszahl der Sekundärspule muss 19-mal so groß
sein wie die der Primärspule.
18. Für den Wirkungsgrad gilt:
h = (Pab/ Pzu) und damit Pzu = Pab / h
Pzu = 15 MW / 0,97
Pzu = 15,5 MW
Die Stromstärke im Primärkreis ergibt sich aus der aufgenommenen Leistung:
P=U·I
I=P/U
I = 15,5 MW / 220 kV
I = 70 A
19. Dünne, gegeneinander isolierte Bleche verhindern das Entstehen von Wirbelströmen.
Energie der Atomkerne (LB S. 75 –76)
1. Die Teilchen eines Atoms füllen nur einen geringen Teil des
Volumens eines Atoms aus.
2.
12. a) N2 = N1 · U2 /U1
N2 = 5500 · 8 V/230 V ≈ 191
b) I1 = I2 · N2 / N1
I1 = 0,6 A · 191/5500 ≈ 0,021 A = 21 mA
13. Die Windungszahlen müssen ein Verhältnis von
230 V : 12 V = 19,17 zueinander haben, also z. B.
4
2
He; 2 Protonen, 2 Neutronen im Kern, 2 Elektronen in der
Hülle
14
6C; 6 Protonen, 8 Neutronen im Kern, 6 Elektronen in der
Hülle
56
26 Protonen, 30 Neutronen im Kern, 26 Elektronen in
26Fe;
der Hülle
3.
N1
100
200
300
400
500
1000
N2
5
10
16
21
26
52
14. Aufzunehmende akustische Signale (Sprache, Musik) werden
in einem Mikrofon in elektrische Stromschwankungen
umgewandelt. Diese werden einem Tonkopf zugeführt. Zwischen den Polen des Tonkopfs entsteht ein magnetisches
Wechselfeld. Das vorbeilaufende Magnetband wird unterschiedlich stark magnetisiert. Bei der Wiedergabe wird das
Band am Tonkopf vorbeigeführt und in Abhängigkeit von
der Magnetisierung werden unterschiedliche Spannungen
Protonen
Neutronen
Elektronen
1
1H
1
0
1
12
6C
6
6
6
14
6C
6
8
6
60
27 Co
27
33
27
137
55 Cs
55
82
55
235
92 U
92
143
92
238
92 U
92
146
92
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70
4.
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
4
2
α + 49Be → 126C + 01n + γ
15. Internetrecherche
5. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren.
Wenn man davon ausgeht, dass in der Mumie nur noch 25 %
des ursprünglichen Anteils Kohlenstoff-14 vorhanden sind,
ist 2-mal die Halbwertszeit vergangen. Die Mumie hat demzufolge ein Alter von 11460 Jahren.
6. Experiment
7. tH = 2 d
8. Eigenschaften:
– breiten sich geradlinig aus
– besitzen unterschiedliche Durchdringungsfähigkeit
Dγ >> Dβ > Dα
– werden mit Ausnahme der γ -Strahlung in elektrischen und
magnetischen Feldern abgelenkt
– Die Strahlung ist Träger von Energie.
– α- und β-Strahlung bestehen aus Teilchen, γ -Strahlung ist
eine elektromagnetische Welle kurzer Wellenlänge.
– Sie können Filme schwärzen, Stoffe ionisieren, Zellen schädigen.
9. Der Bergsteiger ist terrestrischer und kosmischer Strahlung
besonders ausgesetzt.
10. Strahlung durch natürliche und künstliche Radioaktivität
sowie kosmische Strahlung
11. – Art der Strahlung
– Dauer und Intensität der Bestrahlung
– Empfindlichkeit der bestrahlten Organe
Wichtige Strahlenschutzmaßnahmen sind:
– Großen Abstand von radioaktiven Strahlungsquellen halten, da Absorptionsvermögen der Luft dann größer.
– Strahlungsquellen abschirmen (Blei); Absorptionsvermögen groß.
– Nur kurzzeitig mit radioaktiven Strahlungsquellen experimentieren; die Strahlungsdosis ist dann gering; hohe
Strahlungsbelastung führt zu somatischen und genetischen Schäden.
– Radioaktive Substanzen dürfen nicht in den Körper gelangen. Langzeitwirkung kann zu Schädigungen, insbesondere des Knochenmarks, der Lymphknoten und der Keimzellen, führen.
12. Im natürlichen Uran sind ca. 0,3 % spaltbares Uran-235 vorhanden, im angereicherten Uran sind es 3,5 % U-235 und
96,5 % U-238.
13. a) Eine Kernspaltung lässt sich mit Regelstäben aus Bor oder
Cadmium steuern, die Neutronen absorbieren. Die Regelstäbe werden mehr oder weniger tief in das Reaktorgefäß eingefahren.
b) Gesteuerte Kernspaltung: Die Anzahl der Neutronen kann
begrenzt werden. Neutronen „richtiger“ Geschwindigkeit
treffen auf spaltbares Material und rufen weitere Kernspaltungen hervor. Es kommt zu einer Kettenreaktion.
Ungesteuerte Kernspaltung: Die Anzahl der frei gesetzten Neutronen ist unbegrenzt.
c) gesteuert: Kernkraftwerk
ungesteuert: Atombombe
14. Die Halbwertszeit von I-131 beträgt 8,04 h, die vom instabilen Cs-137 dagegen 30 a. Nach einigen Wochen ist das I-131
bereits größtenteils zerfallen, während die Caesium-Aktivität noch kaum verändert ist.
16. Sicherheitsbarrieren sind in mehrfachen Ausführungen,
räumlich voneinander getrennt und in verschiedenen technischen Ausführungen vorhanden. Sie müssen auch dann funktionieren, wenn unvorhersehbare Ereignisse eintreten wie
z. B. Erdbeben, Brände oder Flugzeugabstürze.
Besonders starke Qualitätskontrollen bereits beim Bau und
auch beim Betrieb des Kraftwerks.
Reaktorschutzsystem bei Störfällen: Reaktor schaltet sich
automatisch ab, Notstromversorgung und Kühlung durch
Dieselaggregate, Kühlsysteme sind mehrfach vorhanden
17. Vorteile: hohe Energieausbeute, kaum Luftverschmutzung,
weitgehend geschlossener Kreislauf möglich
Nachteile: Es entsteht radioaktiver Abfall, der über Jahrzehnte sicher gelagert werden muss. Bei schweren Unfällen
besteht die Gefahr der radioaktiven Verseuchung großer
Gebiete.
18. Bei einem Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor besteht
innerhalb des Kernreaktors ein erster Kreislauf mit einem
Dampferzeuger. In einem zweiten Kreislauf gelangt der
Dampf zur Turbine. Der dritte Wasserkreislauf dient der Kühlung.
Ein Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass radioaktiv kontaminiertes Wasser sich nur innerhalb des abgeschirmten Reaktorbereichs befindet. Der Nachteil besteht im
insgesamt komplizierteren Aufbau.
19. Radioaktiver Abfall, auch als radioaktiver Müll oder Atommüll bezeichnet, ist dasjenige Material, das beim Betrieb von
Kernkraftwerken sowie bei technischen Anwendungen von
Radionukliden anfällt und das wegen der von ihm ausgehenden radioaktiven Strahlung über lange Zeiträume hinweg
sicher gelagert werden muss.
Insgesamt beträgt in Deutschland die Gesamtmenge radioaktiven Abfalls in jedem Jahr ca. 30000 m3. Davon sind etwa
95 % schwach radioaktiv und weniger als 1 % hoch radioaktiv.
Das Problem einer dauerhaft sicheren Entsorgung der radioaktiven Abfälle, die in Kernkraftwerken anfallen, ist bis
heute nicht gelöst. Es handelt sich vor allem um die Brennstäbe, die nach etwa 3 Jahren ausgewechselt werden müssen, weil ihr Gehalt an Uran-235 zu gering geworden ist. Sie
enthalten aber stark radioaktive Stoffe mit großen Halbwertszeiten und müssen deshalb über viele Jahrzehnte hinweg sicher gelagert werden.
20. CASTOR: Cask for storage and transport of radioactive material (Behälter für Lagerung und Transport radioaktiven Materials)
Castor-Behälter: Transport- und Lagerbehälter für abgebrannte Brennelemente aus den Kernkraftwerken sowie für
den Rücktransport von „Atommüll“ in Glaskokillen aus den
Wiederaufbereitungsanlagen in Sellafield (GB) und La
Hague (F) zu den deutschen Zwischenlagern in Ahaus (Nordrhein-Westfalen) und in Gorleben (Niedersachsen).
21. Geht man von den gegenwärtigen Zahlen aus, so ergibt sich:
In einer Reihe von Ländern kann Kernenergie kurz- und mittelfristig nicht ersetzt werden.
Für die Nutzung der Kernenergie spricht:
– Es ist in der Anwendung eine „saubere“ Energie, d. h. die
Schadstoffemissionen sind beim Betrieb von Kernkraftwerken gering.
– Es ist aufgrund der technischen Entwicklung eine gut
beherrschbare Technologie.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Gegen die Nutzung der Kernenergie spricht:
– Der entstehende radioaktive Müll muss viele Jahrzehnte
lang sicher gelagert werden.
– Bei Unfällen oder Anschlägen auf zentrale Bereiche (Kernreaktor) können radioaktive Stoffe freigesetzt werden
und ganze Landstriche verseuchen.
Bewegungsgesetze
Größen und Gesetze der Kinematik (LB S. 98 –100)
1. a) Die Person ist bezüglich der Rolltreppe in Ruhe, bezüglich
des umgebenden Raums aber in Bewegung. Ob man in
Ruhe oder in Bewegung ist, hängt also von dem jeweiligen Bezugskörper ab.
s
t
b) v = v = ---------- = 1,1 m/s ≈ 4 km/h
50 m
45 s
2. a) Nach dem Anfahren und vor dem Abbremsen bewegt sich
der Aufzug gleichförmig.
b) Beim ruhigen Flug über dem Meer bewegt sich das Flugzeug gleichförmig.
c) Ein Weilchen nach dem Absprung bewegt sich ein Fallschirmspringer näherungsweise gleichförmig.
d) Nach dem Anheben bewegt sich die Betonplatte bis zum
Abbremsen gleichförmig.
3. Da für s = konstant v ~ 1/t ist und Susann die doppelte Zeit
benötigt, ist ihre Geschwindigkeit halb so groß wie die
Geschwindigkeit von Tina.
4. Das Auto mit der kürzeren Fahrzeit ist schneller.
5.
m · s–1
0,1
3
20
100
km · h–1
0,36
10,8 ≈ 11
72
360
km · h–1
5
50
130
m · s–1
1,4
13,9
36,1
6. a)
b) 30 km/s = 108 000 km/h
c) 28 440 km/h = 7,9 km/s
7. Wenn in einer Sekunde ein Weg von 2 m zurückgelegt wird,
dann wird in 10 s ein Weg von
10 · 2 m = 20 m zurückgelegt.
In 10 s wird ein Betonteil um 20 m gehoben.
8. a) s = v · t
s = 30 km/h · 1 s = 8,3 m
b) s = 50 km/h · 1 s – 8,3 m ª 5,6 m
9. ∆t = s1 /v1 – s2 /v2
∆t = 80 km/(100 km · h–1) – 80 km/(130 km · h–1)
∆t = 0,19 h = 11 min
71
10. a)
b)
c)
d)
Durchschnittsgeschwindigkeit
Momentangeschwindigkeit
Momentangeschwindigkeit
Durchschnittsgeschwindigkeit
s
t
11. v = - v = 110 km/1,17 h = 94 km/h
12. a) s-t-Diagramm
b) Weg für eine Minute: 3 km
Weg für sieben Minuten: 21 km
c) Zeit für 33 km: 11 min
d) In der grafischen Darstellung ergibt sich eine Gerade, die
durch den Nullpunkt verläuft. Die Bewegung des Fahrzeugs erfolgt also gleichförmig.
e) Für die Berechnung der Geschwindigkeit kann ein beliebiges Messwertepaar ausgewählt werden, z. B. s = 30 km und
t = 10 min = 1/6 h. Damit erhält man:
v = 30 km / (1/6 h)
v = 180 km/h
f) Es könnte sich bei dem Fahrzeug um einen Zug oder ein
sehr schnell fahrendes Auto handeln.
s
v
13. t = t = 11 m/(25 m/s) = 0,44 s
14. Schülervortrag
15. a) Der Weg ist über der Zeit aufgetragen. Weg und Zeit sind
zueinander proportional.
b) s = 105 m
c) t = 37 s
d) Es kann zur Berechnung ein beliebiges Messwertepaar
gewählt werden, z. B. t = 30 s und s = 120 m.
Damit erhält man:
v = 4 m/s = 14,4 km/h
16. Im Diagramm ist die Geschwindigkeit und die Uhrzeit für
einen Lkw registriert. Es wechseln gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte (verzögerte) Bewegungen.
Bis 12.15 Uhr Ruhe, v = 0
12.15 Uhr – 12.30 Uhr gleichmäßig beschleunigte Bewegung,
Erhöhung der Geschwindigkeit, v = 20 km · h–1,
12.20 Uhr – 12.30 Uhr gleichförmige Bewegung, v = konst.,
12.30 Uhr – 12.35 Uhr gleichmäßig beschleunigte Bewegung,
Erhöhung der Geschwindigkeit, v = 60 km · h–1,
12.35 Uhr – 13.00 Uhr gleichförmige Bewegung, v = konst.,
13.00 Uhr – 13.05 Uhr gleichmäßig beschleunigte Bewegung,
Erhöhung der Geschwindigkeit, v = 90 km · h–1,
13.05 Uhr – 13.15 Uhr gleichförmige Bewegung, v = konst.,
13.15 Uhr – 13.20 Uhr gleichmäßig verzögerte Bewegung,
Verringerung der Geschwindigkeit, v = 40 km · h–1,
13.20 Uhr – 13.45 Uhr gleichförmige Bewegung, v = konst.,
13.45 Uhr – 13.55 Uhr gleichmäßig verzögerte Bewegung,
Verringerung der Geschwindigkeit, v = 0,
ab 13.55 Uhr Ruhe v = 0.
17. a) a = ∆v/∆t
a = (100 km/h)/9,8 s = 2,8 m/s2
Der Wert gilt für eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung.
b) a = (40 km/h)/10,6 s = 1,05 m/s2
Die Beschleunigung ist kleiner.
c) Dabei spielen zwei Gründe eine Rolle. In oberen Gängen
ist die Übersetzung eine andere, das wirkende Drehmoment ist kleiner, demzufolge auch die Beschleunigung.
Es macht sich der zunehmende Einfluss des Luftwiderstands bemerkbar.
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72
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
18. a = ∆v/ ∆t
a = (27,8 m/s)/6,8 s
a = 4,1 m/s2
19. a) Im Diagramm ist der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Zeit dargestellt. Zu unterscheiden sind fünf
Bewegungsabschnitte:
0 s … 20 s: gleichförmige Bewegung mit v = 50 km/h
20 s … 30 s: gleichmäßig verzögerte Bewegung bis zum
Stillstand.
30 s … 60 s: Lkw steht.
60 s … 80 s: gleichmäßig beschleunigte Bewegung
> 80 s:
gleichförmige Bewegung mit v = 40 km/h.
b) Bremsen:
a = ∆v / ∆t a = (50 km/h)/10 s ≈ 1,4 m/s2
Anfahren:
a = (40 km/h)/20s ≈ 0,56 m/s2
20. Das Weg-Zeit-Gesetz stellt den Zusammenhang von Weg und
Zeit dar. Es besteht direkte Proportionalität zwischen Weg
und dem Quadrat der Zeit. Bei konstanter Beschleunigung a
ist der Quotient von Weg und dem Quadrat der Zeit konstant.
Das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz stellt den Zusammenhang
von Geschwindigkeit und Zeit dar. Es besteht direkte Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Zeit. Bei konstanter
Beschleunigung ist der Quotient von Geschwindigkeit und
Zeit konstant.
21. v = 2 ⋅ a ⋅ s
2
v = 2 ⋅ 6, 8m ⁄ s ⋅ 26m
v = 18,8 m/s = 67,7 km/h
Die Geschwindigkeit lag erheblich über der innerhalb
geschlossener Ortschaften erlaubten Geschwindigkeit.
22. Weg bis zum Beginn des Bremsens:
s=v·t
s = 80 km/h · 0,9 s = 20 m
Bremsweg:
s = v 2 / 2a
s = (80 km/h)2 /(2 · 4,2 m/s2) = 58,8 m
Der Gesamtweg beträgt damit ca. 80 m. Das Fahrzeug
kommt vor dem Reh zum Stehen.
23. Bei einer Schneeflocke macht sich der Luftwiderstand stärker
bemerkbar als bei einem Regentropfen.
Hinweis: Regentropfen erreichen eine maximale Geschwindigkeit von etwa 10 m/s, Schneeflocken < 1 m/s.
24. a) a < g
b) a < g
c) a ≈ g
d) a ≈ g
e) a < g
Bei a < g sind die Gesetze nicht anwendbar, bei a ≈ g sind sie
anwendbar.
Hinweis: Viele Körper erreichen eine maximale Sinkgeschwindigkeit. Sie liegt z. B. bei einem frei fallenden Menschen (ohne Fallschirm) bei 200 km/h. Die Ursache dafür ist
der Luftwiderstand.
25. s = g/2 · t2
s = (9,81 m/s2)/2 · (8 s)2 = 313,9 m
26. s = g / (2 · t2)
s = 9,81 m/s2 /(2 · (3 s)2)
s = 44,15 m
27. a) Dargestellt ist der Zusammenhang zwischen der Fallgeschwindigkeit und der Fallzeit. Mit zunehmender Fallzeit
nimmt die Fallgeschwindigkeit immer weniger stark zu
und erreicht schließlich einen Wert von etwa 200 km/h.
b) 200 km/h ≈ 56 m/s
Projekt: Gefahren im Straßenverkehr bei Bremsvorgängen
(LB S. 116 –119)
v
a
1. Aus t = -- und s = -- · t2 folgt s = v2 /2a
2
a
Für 30 km/h ergibt sich s = 11,6 m. Der Bremsweg wäre etwa
5 m kürzer gewesen.
2. Für v = 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s ergeben sich folgende
Bremswege:
s = 4,2 m; 16,7 m; 37,5 m; 66,7 m
s in m
70
60
50
40
30
20
10
0
v in m
s
0
5
10
15
20
3. Bremswege für ein Fahrrad bei folgenden Geschwindigkeiten:
v = 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s
s = 5,0 m; 20 m; 37,5 m
Bremswege für ein Auto bei folgenden Geschwindigkeiten:
v = 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s
s = 1,8 m; 7,1 m; 16,1 m
s in m
40
Fahrrad
30
20
Pkw
10
v in m
s
0
0
5
10
15
Bei einer Geschwindigkeit von 30 km/h kommt das Fahrrad
in etwa 14 m zum Halten, der Pkw in ca. 5 m. Außerdem ist
zu beachten, dass bei diesen Berechnungen noch nicht der
Weg berücksichtigt wurde, der während der Schrecksekunde
zurückgelegt wird. Den relativ langen Bremsweg bei 30 km/h
müssen Fahrradfahrer unbedingt im Straßenverkehr beachten, wenn sie schneller als die normale Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 km/h fahren.
4. Das Gesetz, dass der Bremsweg bei einer bestimmten Bremsverzögerung proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit
ist, muss veranschaulicht werden. In die Bremsverzögerung
gehen die Straßenverhältnisse mit ein. Je kleiner bei einer
bestimmten Geschwindigkeit die Reibung zwischen den Reifen und dem Belag ist, desto größer ist der Bremsweg.
5. Die Veränderungen beziehen sich vor allem auf die Glätte
der Fahrbahn: Bei Eis und Schnee sind die Reibungskräfte
wesentlich geringer. Als Konsequenz ergibt sich: Die Bremswege verlängern sich. Bei Kurvenfahrten muss man mehr
aufpassen, weil bei geringeren Reibungskräften die Gefahr
des „Ausrutschens“ besteht.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
6. Internetrecherche , u. a.:
Durch Regen, Schnee und Eis verringert sich die Haftreibungszahl von Reifen auf dem Straßenbelag.
Damit verlängert sich der Bremsweg von Fahrzeugen. Das ist
auch beim Kurvenfahren zu berücksichtigen. Die Bremsverzögerung ist u.a. vom Fahrbahnbelag und von der Steigung
bzw. des Gefälles abhängig. Ein Pkw mit besten Bremsen und
Reifen und unter idealen Bedingungen hat eine Bremsverzögerung zwischen 9,0 m/s2 und 10,5 m/s2.
Glatteis: ca. 1,0 m/s2
Schneeglätte: ca. 2,0 m/s2
Nasse Fahrbahn: ca. 5,5 m/s2
Trockene Fahrbahn: ca. 7,5 m/s2
7. Bremsweg auf trockener Fahrbahn:
s = v2/2a
s = (30 km/h)2 /(2 · 7,5 m/s2) = 4,6 m
Bremsweg auf nasser Fahrbahn:
s = v2/2a
s = (30 km/h)2 /(2 · 5,5 m/s2) = 6,3 m
Der Bremsweg wäre 1,7 m länger.
8. Computersimulationen
9. Bei Regen, Schnee und Eis sollte man beachten, dass
– sich Anfahr- und Bremswege infolge der geringeren Reibung vergrößern,
– der Sicherheitsabstand vergrößert werden muss, um Auffahrunfälle zu vermeiden,
– Kurven langsamer durchfahren werden müssen, damit die
Fahrzeuge nicht herausgetragen werden.
10. Durch eine Antischlupfregelung wird erreicht, dass die Räder
eines Fahrzeugs nicht „durchdrehen“, also ständig die Haftreibungskraft und nicht die kleinere Gleitreibungskraft
wirkt. Erreicht wird dieser Effekt durch Sensoren, die die
Drehzahl der Räder mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs
abgleichen.
11. Aquaplaning entsteht, wenn Wasser, das sich auf der Fahrbahn befindet, vom Reifen nicht mehr hinreichend schnell
zur Seite gedrückt werden kann, sich also unter dem Reifen
ein Wasserfilm bildet.
Die Gefahr von Aquaplaning vergrößert sich mit der
Geschwindigkeit und mit der Verringerung der Profiltiefe
sowie mit der Höhe des Wassers, das auf der Fahrbahn steht.
12. Experiment
73
Weitere Faustregel: Sicherheitsabstand ist gleich einem 2Sekunden-Abstand
Um diese Faustregel anzuwenden, muss der Fahrer sich eine
Stelle am Straßenrand merken, die der vor ihm fahrende
Wagen gerade durchfährt. Es müssen mindestens 2 s, bei
Geschwindigkeiten über 80 km/h sogar 3 s verstrichen sein,
bis er selbst diese Stelle erreicht.
16. Bei Unfällen wird das Fahrzeug ruckartig abgebremst. Das
Fahrzeug kommt schon zum Stehen, während sich die Personen im Fahrzeug entsprechend dem Trägheitsgesetz weiter
bewegen. Um diese Bewegung nach vorn abzufangen, sind
Sicherheitsgurte vorgeschrieben.
Der Airbag dient als „Auffangkissen bei dieser Bewegung
nach vorn. Er wird bei einem frontalen Aufprall ausgelöst
und verhindert so ein Aufschlagen auf das Lenkrad und das
Armaturenbrett.
Seitenairbags dienen als seitlicher Aufprallschutz.
17. In den Pkw kann man sich auch mit Sicherheitsgurten noch
bewegen, da diese im Normalfall nachgeben. Bei scharfem
Bremsen sollen die Gurte eine Bewegung nach vorn verhindern. Sie müssen daher straff gespannt sein.
18. F = m · a
F = 1,4 kg · 50 · 9,81 m/s2
F = 686,7 N
Das ist etwa die Gewichtskraft eines Menschen mit m = 70 kg.
Newtonsche Gesetze (LB S. 121–122)
1. Wenn das Blatt Papier langsam weggezogen wird, dann
bewegt sich die Münze mit dem Blatt. Zieht man das Blatt
Papier dagegen sehr schnell weg, dann fällt die Münze in
das Glas. Wie jeder Körper hat auch die Münze eine Masse
und ist träge. Sie setzt jeder Bewegungsänderung einen
Widerstand entgegen und verharrt deshalb in Ruhe. Weil sie
nicht mehr durch das Papier gehalten wird, fällt sie in das
Glas. Besonders bemerkbar macht sich die Trägheit bei
schnellen Bewegungsänderungen.
2. Beim Experimentieren macht man sich die Trägheit der Geldstücke zu nutze, die sie auf Grund ihrer Masse haben. Stößt
man sehr schnell mit einem flachen Gegenstand, z. B. mit
einem Lineal, gegen das unterste 50-Cent-Stück, dann
„schlittert“ dieses über die Unterlage und die restlichen
Geldstücke verharren in Ruhe, ohne dass der Stapel umkippt.
Stößt man sehr vorsichtig und langsam gegen das unterste
Geldstück, dann wird der ganze Stapel nur weg geschoben.
13. Experiment
14. Wenn ein Pkw mit 90 km/h fährt, sollte sein Sicherheitsabstand mindestens 45 m betragen. Bremswege sind aber oft
länger als die „halbe Tachoanzeige“, weil Faktoren wie
Reaktionszeit des Fahrers und Straßenverhältnisse das Ergebnis beeinflussen. Besonders bei nassen und vereisten Straßen
muss der Sicherheitsabstand unbedingt größer gewählt werden.
15. Weitere Faustregel: Sicherheitsabstand s (in m) ist gleich dem
Quadrat der durch 10 geteilten Geschwindigkeit (in km/h):
3. Die Insassen befinden sich zunächst in Ruhe und versuchen,
in Ruhe zu verharren. Da das Auto beschleunigt wird, wirkt
auf sie eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung.
4. Der defekte Pkw ist auf Grund seiner Masse träge. Um ihn
aus dem Zustand der Ruhe zu bringen, ist eine Kraft erforderlich. Sie bewirkt eine Beschleunigung. Ist die Zeit der
Geschwindigkeitsänderung sehr klein, tritt eine hohe
Beschleunigung und demzufolge eine große Kraft auf. Das
Seil kann reißen.
v 2
s = ⎛ -----⎞
⎝ 10⎠
5. Man würde sich nach links bewegen. Das liegt daran, dass der
Körper versucht, seine Bewegungsrichtung beizubehalten.
Nach dieser Faustregel müsste der Sicherheitsabstand bei
einer Geschwindigkeit von 30 km/h mindestens 9 m betragen,
bei 80 km/h wäre er 64 m. Der Sicherheitsabstand muss mit
dem Quadrat der Geschwindigkeit größer gewählt werden.
6. Beim ruckartigen Bremsen bewegen sich die Fahrzeuginsassen entsprechend dem Trägheitsgesetz weiter. Sicherheitsgurte fangen die Bewegung nach vorn ab. Der Airbag wird
beim frontalen Aufprall ausgelöst und verhindert ein Auf-
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74
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
schlagen auf das Lenkrad und das Armaturenbrett. Seitenairbags schützen vor seitlichem Aufprall.
7. Strömt Luft aus dem Ballon, dann entsteht nach dem Wechselwirkungsgesetz eine gleich große Gegenkraft, die die Spielzeuge in entgegengesetzter Richtung in Bewegung versetzt.
b) F = m · ∆v/∆t
F = 80 kg · 50 m / (3,6 s · 6 s)
F = 185,2 N
17. Charakteristische Beschleunigungen sind:
Auto bei Auffahrunfall:
> 100 m/s2
8. a) Bewegungen in entgegengesetzter Richtung. Auf beide
Körper wirken gleich große Kräfte.
b) Katharina wird beim Abstoßen einen größeren Weg
zurücklegen. Die gleich große Kraft verleiht dem Körper
mit der geringeren Masse eine höhere Beschleunigung.
Vollbremsung Pkw
(trockene Straße):
7,5 m/s2
Vollbremsung Pkw
(nasse Straße):
4 m/s2
Pkw beim Anfahren:
3 m/s2
9. Beispiele sind:
– Antrieb von Raketen, Flugzeugen
– Rudern
– Fortbewegung einiger Tiere (z. B. Quallen)
Prinzip ist überall: Gase bzw. Flüssigkeiten werden in einer
Richtung ausgestoßen bzw. bewegt. Nach dem Wechselwirkungsgesetz wirkt in entgegengesetzter Richtung eine
gleich große Kraft und führt zu einer Bewegung des betreffenden Körpers.
Anfahren beim ICE:
10. a) F = m · a a = v/t
F = m · v/t
F = 0,7 kg · (90 km/h) / 0,02 s = 875 N
b) a = v/t
a = (90 km/h) / 0,02 s
a = 1 250 m/s2
0,5 m/s2
18. a) Versuchsskizze
m = 5g
m = 200 g
m = 100 g
11. F = m · a
F = 70 kg · 75 m/s2
F = 5 250 N
m = 20 g
12. a)
s = 0,8 m
a in m/s2
1,5
1,0
0,5
2,0
4,0
F in N
b) Es ist der Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung dargestellt. Je größer die Kraft ist, desto größer ist
die Beschleunigung. Es gilt a ~ F.
c) Es gilt m = F/a. Mit F = 4 N und a = 1,2 m/s2 erhält man
m = 4 N / (1,2 m/s2) = 3,3 kg
b) a1 = 0,31 m/s2, a2 = 0,23 m/s2, a3 = 0,19 m/s2
c) F1 = 0,196 N, F2 = 0,192 N, F3 = 0,196 N
d) Abweichungen ergeben sich vor allem durch die Reibung.
Wahlpflichtbereiche, Fächerverbindendes
Thema
Wahlpflichtbereich: Natürliche Radioaktivität (141–144)
13. a) a = F/m
a = 270000 N/500000 kg = 0,54 m/s2
b) t = v/a
t = (27,8 m/s)/0,54 m/s2 = 51 s
c) Reibungskräfte wirken der Bewegung entgegen. Die
Beschleunigung ist deshalb geringer als berechnet.
14. a) a = F/m
a = 4 · 200000 N/330000 kg = 2,4 m/s2
b) s = v 2 /2a
s = (300 km/h)2 /(2 · 2,4 m/s2)= 1447 m
15. F = m · a mit a = ∆v/∆t
F = 70 kg · 40 m / (3,6 s · 1,2 s)
F = 648 N
16. a) Die Kräfte wirken in Fahrtrichtung.
1. Internetrecherche und Repräsentation
2. Ein Zählrohr dient dem Nachweis radioaktiver Strahlung. Es
besteht aus einem gasgefüllten Rohr mit einer dünnen Rohrwandung, die von radioaktiver Strahlung durchdrungen
werden kann. Im Rohr befinden sich eine stabförmige Elektrode in der Mitte und eine meist spiralförmige Elektrode in
der Nähe der Wandung. Zwischen den beiden Elektroden
wird eine Spannung von etwa 500 V angelegt.
3. Fällt radioaktive Strahlung auf das Zählrohr, so wird das im
Rohr befindliche Gas ionisiert, d. h. es werden Elektronen
abgespalten. Es kommt zur Stoßionisation und damit zu
einem kurzzeitigen Stromfluss im Zählerstromkreis. Die am
Widerstand auftretende Spannungsänderung wird verstärkt.
Sie ist in einem Lautsprecher als Knacken zu hören.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
4. Aufbau: lichtdicht eingepackter Film, Hülle mit verschiedenen Abschirmblechen
Wirkungsweise: Die Dosimeterplakette wird von Personen
getragen, die beruflich mit Strahlung zu tun haben. Da
durch Strahlung (radioaktive Strahlung, Röntgenstrahlung)
Filme geschwärzt werden, ist die Schwärzung des Films ein
Maß für die Strahlenbelastung. Die Filme werden in regelmäßigen Abständen (meist monatlich) kontrolliert.
5. a) Die Aktivität gibt an, wie viele Kerne je Sekunde zerfallen. 40 kBq/m3 bedeutet, dass in einem Kubikmeter
Bodenluft in einem Meter unter der Erdoberfläche 40 000
Kerne je Sekunde zerfallen.
b) Internetrecherche: Die Karte gibt einen Überblick über
die Radonbelastung in ganz Deutschland. Außer in Sachsen treten vor allem in einigen Gebieten in Bayern und
Thüringen Radonkonzentrationen über 100 kBq/m3 auf.
Die Karte gibt Hinweise darauf, in welchen Regionen mit
erhöhten Radonkonzentrationen in der Raumluft zu rechnen ist. Das Verhältnis von Radon in der Raumluft zu
Radon in der Bodenluft liegt bei ca. 1 ‰ bis 5 ‰. Bei
100 kBq/m3 in der Bodenluft könnten Werte im Bereich
von 100 kBq/m3 bis 500 Bq/m3 in der Raumluft eines
Gebäudes auftreten. In Gebieten mit Radonkonzentrationen von weniger als 20 kBq/m3 der Bodenluft sind
erhöhte Konzentrationen in der Raumluft unwahrscheinlich. In den übrigen Gebieten muss jedoch mit erhöhten
Konzentrationen in der Raumluft gerechnet werden.
6. Internetrecherche
7. Experiment: Der Nulleffekt ist zwar ständig vorhanden, tritt
aber sehr unregelmäßig auf. Deshalb führen kurze Messzeiten zu unterschiedlichen Ergebnissen.
8. Da der Nulleffekt ständig vorhanden ist, beeinflusst er auch
Messungen der Radioaktivität. Deshalb ermittelt man
zunächst über einen längeren Zeitraum den Nulleffekt und
subtrahiert ihn dann von anderen Messungen der Zählrate.
75
13. Erkundungsauftrag
14. Bestrahlungsverfahren
Das Bestrahlungsverfahren beruht auf der Eigenschaft radioaktiver Strahlung, die biologischen Eigenschaften von Zellen
zu verändern (Krebsbehandlung) oder in Stoffen physikalische oder chemische Veränderungen hervorzurufen (Schwärzung von fotografischen Schichten). Bei diesem Verfahren
werden die Stoffe, Körper oder Zellen, bei denen bestimmte
Veränderungen hervorgerufen werden sollen, einer Kernstrahlung ausgesetzt.
Durchstrahlungsverfahren
Beim Durchstrahlungsverfahren wird die Fähigkeit der Kernstrahlung benutzt, Stoffe zu durchdringen, bzw. umgekehrt
die Tatsache, dass Kernstrahlung von unterschiedlichen Stoffen in unterschiedlichem Maße absorbiert wird. Zwischen die
radioaktive Quelle und den Strahlungsempfänger, z. B. ein
Geiger-Müller-Zählrohr, wird das zu prüfende Objekt
gebracht. Je nachdem, wie viel von der ausgesandten Strahlung vom Empfänger registriert wird, kann auf die Qualität
des betrachteten Objekts geschlossen werden. So können
z. B. Einschlüsse in einem Werkstück geortet werden. Die
ausgesandte Strahlung wird an den Einschlüssen anders
absorbiert und am Strahlungsempfänger werden daher
andere Werte registriert als im Umfeld.
Markierungsverfahren
Beim Markierungsverfahren nutzt man die Instabilität der
Isotope aus, um ihren Weg zu verfolgen. Die instabilen Kerne
zerfallen und geben somit Kernstrahlung ab. Die Strahlung
kann aufgrund der Durchdringungsfähigkeit radioaktiver
Strahlung nach außen dringen und dort registriert werden.
Um bei langen, schwer zugänglichen Rohrleitungen einen
Verschluss oder Rohrbruch zu lokalisieren, wird an einer
zugänglichen Stelle eine radioaktive Substanz in die Leitung
gegeben. Mithilfe eines Zählers lässt sich der Weg dieser Substanz im Leitungssystem verfolgen. Dort, wo sich die Substanz sammelt und somit die Zählrate entsprechend hoch ist,
kann der Verschluss oder Rohrbruch lokalisiert werden.
9. Experiment
10. a) Im Diagramm ist die Absorption einer γ-Strahlung in
Abhängigkeit von der Schichtdicke von Blei dargestellt.
Die Impulsrate der γ-Strahlung je Minute nimmt mit
zunehmender Schichtdicke ab. Dabei ist die Abnahme
nicht proportional, sondern exponentiell zur durchdrungenen Schichtdicke.
b) Bei einer Schichtdicke von ca. 12 mm ist die Hälfte der
Strahlung absorbiert.
c) Wenn 90 % der Strahlung absorbiert werden, gelangen
noch 10 % durch die Schicht hindurch. Das sind 60
Impulse je Minute. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass dieses bei einer Schichtdicke von 43 mm geschieht.
11. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5 730 Jahren.
Wenn man davon ausgeht, dass in dem Fund nur noch 50 %
des ursprünglichen Anteils Kohlenstoff-14 vorhanden sind,
ist die Halbwertszeit ein Mal vergangen. Die Mumie hat
demzufolge ein Alter von 5 730 Jahren.
12. Internetrecherche, u. a.: Die Methode geht davon aus, dass
viele Steine Uran enthalten, dessen Isotope alle radioaktiv
sind. Das natürliche Uranisotop 238 zerfällt über Zwischenstationen in das stabile Blei-206. Aus dem Verhältnis von
Pb-206 zu U-238 lässt sich das Alter des Gesteins errechnen,
wenn man davon ausgeht, dass ursprünglich nur Uran vorhanden war.
Wahlpflichtbereich: Energie von Wind und Sonne
(LB S. 145 –147)
1. Internetrecherche, u. a.: Bei Bockwindmühlen wird das
gesamte, auf einen Bock montierte Mühlenhaus über einen
vertikalen Zapfen in Windrichtung gedreht. Bei Holländerwindmühlen ist nur die Dachkappe mit dem meist vierflügeligen Windrad drehbar. Die Dachkappe befindet sich auf
einem massiven, meist steinernen Gebäude. Windmühlen
wurden als Antriebe für Mahlwerke oder Pumpen genutzt.
Gemahlen wurden Getreide und Gewürze, aber auch Mineralien zu Farbe. In Lohmühlen wurde Eichenrinde zum Gerben von Leder gestampft. Windmühlen trieben Ölpressen
und Sägewerke an.
2. Der DARRIEUS- und der SAVONIUS-Rotor haben eine senkrechte
Rotorachse. Der DARRIEUS-Rotor hat zwei oder drei Rotorblätter, die als Mantellinien ausgeführt sind. Von Vorteil ist, dass
seine Funktion nicht von der Windrichtung abhängt und der
Generator auf dem Boden untergebracht werden kann. Da
sich der Rotor relativ nahe am Erdboden befindet, ist die
Energieausbeute geringer und beträgt nur etwa 75 % derjenigen von Anlagen mit waagrechter Achse. Der DARRIEUSRotor braucht eine Anlaufhilfe und ist schlechter regelbar.
Sein Wirkungsgrad beträgt ca. 37 %.
SAVONIUS-Rotoren arbeiten nach dem aerodynamischen Prinzip. Der Wind findet in der Schaufelöffnung einen höheren
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76
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Widerstand als in der Schaufelrückseite. So werden beide
Schaufeln abwechselnd in Windrichtung gebracht. Deshalb
laufen SAVONIUS-Rotoren schon bei kleinen Windstärken an
(2 m/s bis 3 m/s). Ihr Wirkungsgrad beträgt nur 23 %. Bei großen Windstärken bremsen die entstehenden Turbulenzen
den Rotor. Deshalb sind die Rotoren sturmsicher. Sie werden
als Anlaufhilfe für DARRIEUS-Rotoren sowie für Entlüftungszwecke bei Fabrikhallen, Autos und Schiffen verwendet.
3. Weil sich bei Anlagen mit Luvläufern die Rotorblätter auf der
windzugewandten Seite befinden, benötigen sie eine aktive
Windnachführungsvorrichtung, die die Rotorwelle entsprechend der Windrichtung ausrichtet. Trotzdem sind sie stärker
verbreitet, weil sich bei Leeläufern die Rotorblätter auf der
windabgewandten Seite des Turms befinden und sich damit
durch den „Schatten“ des Turms drehen, wobei die Windanströmung kurzzeitig unterbrochen wird. Außerdem führt die
sich abrupt verändernde Strömung im Turmschatten ständig
zu stoßartigen Belastungswechseln der Rotorblätter. Um
Schäden zu vermeiden, sind daher an der Blattaufhängung
besondere konstruktive und im allgemeinen kostenaufwendige Maßnahmen erforderlich (Pendelnabe). Das ist bei Luvläufern nicht der Fall, weil Leistungsverluste durch eventuelle Schräganströmung vermieden werden.
4. Internetrecherche und Präsentation
5. Ein Abbremsen ist besonders bei hohen Windstärken erforderlich, die die Standsicherheit der Anlagen gefährden würden. Bei Windstärke 10 (etwa ab 25 m/s) wird der Rotor zum
Schutz vor mechanischer Überlastung gebremst oder stillgesetzt. Gegebenenfalls müssen die Blätter aus dem Wind
gedreht werden. Die Bremsvorrichtung (Scheibenbremse)
befindet sich an der Verbindungswelle zwischen Rotor und
Getriebe bzw. Getriebe und Generator.
7. Internetrecherche
8. Die Abbildung zeigt für Deutschland die gesamte Sonnenstrahlung auf eine nach Süden geneigte Fläche pro Jahr in
kWh/m2. Es ist erkennbar, dass die Intensität der Sonnenstrahlung in Süddeutschland größer als in Norddeutschland ist.
Mittlere Globalstrahlung pro Jahr in kWh/m2
Elb
e
Berlin
Od
e
r
Weser
Ems
11. Internetrecherche, u. a.:
Mono- und polykristalline, zunehmend aber auch amorphe
Siliciumzellen werden als Solarzellen eingesetzt. Sie unterscheiden sich vor allem in ihrem Wirkungsgrad. Monokristalline Zellentypen erreichen im Labor einen Wirkungsgrad
zwischen 18 % und 23%, polykristalline zwischen 15 % und
18 % und amorphe zwischen 10 % und 16 %.
12. Experiment
Wahlpflichtbereich: Bewegung auf gekrümmten Bahnen
(LB S. 148 –150)
2. v = 2 ◊ π ◊ r / T
Die Geschwindigkeit der Erde um die Sonne beträgt
v = 2 ◊ π ◊ 149,6 ◊ 106 km/31536000 s = 29,8 km ◊ s-1
Die Geschwindigkeit des Mondes um die Erde beträgt
v = 2 ◊ π ◊ 384 400 km / 2360059,2 s = 1,02 km ◊ s-1. Die Bahngeschwindigkeit, mit der sich die Erde um die Sonne bewegt,
ist also etwa 30-mal so groß wie die Bahngeschwindigkeit
des Mondes um die Erde.
3. v = 2 ◊ π ◊ r/T
v = 2 ◊ π ◊ 42000 km / 86400 s ≈ 3 km/s
Hamburg
Neisse
Rhe in
Köln
n
M
ai
Don a
Rhe
in
10. In unseren Breitengraden reicht die Erwärmung des Wassers
nicht aus, um allein durch die Hitze zu zirkulieren.
1. Gegenüber der Erdoberfläche befindet sich ein geostationärer Satellit in Ruhe. Gegenüber anderen Satelliten oder
Raumkörpern befindet er sich in Bewegung.
6. Schülerdiskussion
1 200 und höher
1 125 – 1 200
1 050 – 1 125
975 – 1 050
9. Internetrecherche, u. a.
Bei Systemen mit Vakuum-Flachkollektoren liegt die Temperaturobergrenze bei ca. 150 °C. Diese Temperaturen sind zum
Heizen geeignet und entstehen, weil der Raum zwischen
Absorber und Wand evakuiert wird. Dadurch werden Wärmeverluste durch Luftbewegung zwischen Absorber und
Verglasung vermieden.
Höhere Temperaturen lassen sich mit Röhrenkollektoren
erzielen. Eine luftleere Röhre umgibt den Absorber und die
Kanäle für den Wärmeträger. Durch das Hochvakuum werden die Wärmeverluste reduziert. Dadurch entstehen Temperaturen bis 250 °C.
Systeme mit konzentrierenden Kollektoren bündeln die einfallende Sonnenstrahlung mithilfe von Spiegeln (Reflektoren). Dadurch können Temperaturen zwischen 100 °C und
300 °C erreicht werden.
u
München
Quelle: nach Deutscher Wetterdienst
4. Experiment
a) Der Radiergummi bewegt sich tangential zum Kreis in
Richtung der Geschwindigkeit.
b) Es wird eine Bewegung im Uhrzeigersinn angenommen.
nach oben: wenn er sich ganz links befindet
nach unten: wenn er sich ganz rechts befindet
nach links: wenn er sich ganz unten befindet
nach rechts: wenn er sich ganz oben befindet
c) Die Radialkraft hält den Radiergummi auf der Bahn.
5. Sport: Hammerwerfen (Aufhängung), Diskuswerfen (Hand),
Bahnradsportler (Bahn)
Technik: Kettenkarussell (Aufhängung), Schaufeln einer Turbine (Aufhängung), Zentrifuge (Wand des Behälters)
Alltag: Ringschleuder (Aufhängung), Kurvenfahrt (Reibungskraft), Waschmaschine (Wäschetrommel)
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
6. Die Gleichung für die Radialkraft zeigt die Abhängigkeit der
Radialkraft von der Masse und Geschwindigkeit des Körpers
und seiner Entfernung vom Zentrum der Kreisbahn. Unter
der Voraussetzung, dass jeweils die anderen Größen konstant gehalten werden, gilt: Die Radialkraft ist proportional
zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit des Körpers. Sie ist umgekehrt proportional zum Bahnradius.
Bei einer Verdopplung (Verdreifachung) der Geschwindigkeit steigt die Radialkraft um das Vierfache (Neunfache).
7. Der Hammerwerfer muss die Gegenkraft zur Radialkraft aufbringen.
2
2
⎛ 100 km
---------⎞
⎝
h ⎠
v
Fr = m ◊ ------ = 7,0 kg ◊ ----------------------------- = 2160 N
r
2,5 m
8. Fr ~ 1/r, d. h. mit kleinerem Kurvenradius muss durch die Reibungskraft eine größere Radialkraft aufgebracht werden.
9. Bei Serpentinen ist der Kurvenradius sehr klein. Die aufzubringende Radialkraft ist also größer als bei Kurven mit größerem Radius (Fr ~ 1/r). Die Radialkraft wird durch die Reibung zwischen Straße und Reifen aufgebracht und hat bei
gegebenen Bedingungen einen bestimmten Wert, der nicht
überschritten werden darf, wenn man eine Kurve sicher
durchfahren will.
10. a) Der Kurvenradius vergrößert sich.
b) Damit die zum sicheren Durchfahren erforderliche Radialkraft noch vorhanden ist, muss bei einer bestimmten
Geschwindigkeit der Kurvenradius größer sein.
c) Es besteht die Gefahr schwerster Unfälle.
11. Die Kurve kann sicher durchfahren werden, wenn die Reibungskraft (Haftreibung) größer ist als die jeweils wirkende
Gegenkraft zur Radialkraft.
12. Damit ein Satellit einen Himmelskörper umkreisen kann,
muss er die 1. kosmische Geschwindigkeit haben. Für die
Erde beträgt dieser Wert 7,9 km/s.
Damit ein Satellit sich aus dem Anziehungsbereich eines
Himmelskörpers entfernen kann, benötigt er die 2. kosmische Geschwindigkeit. Für die Erde hat sie einen Wert von
11,2 km/s. Sie ist also etwa 1,4-mal größer als die 1. kosmische Geschwindigkeit.
Damit sich Satelliten aus dem Anziehungsbereich der Sonne
entfernen können, gilt Folgendes: Geht man von einer erdgebundenen Betrachtung aus, so gilt: Ohne Berücksichtigung der Erdbewegung beträgt die 3. kosmische Geschwindigkeit für die Erde 42,4 km/s. Wird ein Körper in Richtung
der Bahngeschwindigkeit der Erde abgeschossen, so beträgt
diese Geschwindigkeit 16,7 km/s.
Weil Masse und Radius der betreffenden Himmelskörper in
die Gleichungen eingehen, ergeben sich für andere Himmelskörper auch andere Werte.
13. Startgeschwindigkeit
77
Fächerverbindendes Thema: Energie und Umwelt
(LB S. 151–157)
1. a) Die Energieträger reichen nur endlich. Außerdem ist von
einem weiteren Anstieg des Energiebedarfs auszugehen
und wir können nicht auf Kosten unserer Nachfahren
leben. Wichtigste Folgerung: Man muss sparsam und
überlegt mit den betreffenden Energieträgern umgehen.
b) Es muss verstärkt nach Möglichkeiten der intensiveren
und effektiveren Nutzung von alternativen Energiequellen gesucht werden.
2. Erkundungsauftrag
3. – Regenerative Energiequellen wachsen nach (z. B. Holz,
Torf, Biomasse) bzw. sind immer wieder nutzbar zu
machen (z. B. Sonnenstrahlung, Erdwärme, fließendes und
gestautes Wasser).
– Sie sind zugleich Primärenergiequellen, die nicht direkt
zum Heizen, Antrieb von Geräten, Maschinen und Anlagen
genutzt werden können. Ausnahmen: Holz, Torf zum Heizen; fließendes Wasser zum Antrieb einfacher Maschinen.
– Primärenergieträger werden in Umwandlungsprozessen
mithilfe von Energiewandlern in Energieformen umgewandelt, die direkt genutzt werden können.
z. B.: gestautes Wasser BWasserkraftwerk B
elektrische Energie
Umweltwärme BWärmepumpe Bthermische Energie.
Natürliche Gegebenheiten, die die Nutzung erneuerbarer
Energieträger begünstigen oder erschweren, sind:
– Windreiche Gegenden wie z. B. Küstenregionen begünstigen die Nutzung von Windenergie.
– Bergige und flussreiche Gegenden begünstigen die Nutzung von Wasserkraft.
– Gegenden mit großen Temperaturunterschieden wie z. B.
einige Regionen in Portugal begünstigen die Nutzung der
Erdwärme.
– Gegenden mit anhaltender Sonneneinstrahlung wie z. B. in
Kalifornien begünstigen die Nutzung der Sonnenenergie.
– Küstenregionen mit großen Differenzen zwischen Ebbe
und Flut und Flussmündungen wie z. B. in St. Malo (Frankreich) begünstigen die Nutzung der Energie des strömenden Wassers.
Bitte beachten:
Die Nummerierung der Aufgaben auf der Seite 152 muss von Aufgabe 4 bis 8 gehen. Dieser Fehler wird bei einem Nachdruck
berichtigt.
4. Internetrecherche
5. – immer noch relativ hohe Kosten
– Dauer der Sonneneinstrahlung ist gering
– geeignete Standorte für Windkraftanlagen begrenzt verfügbar
Bahnform
Beispiele
Körper fällt
zur Erde
zurück
Rakete bei Ausfall
einer Antriebsstufe
6. Internetrecherche.
v < 7,9 km/s
v = 7,9 km/s
Kreisbahn
Satelliten auf niedriger Umlaufbahn
7. –
–
–
–
7,9 km/s < v < 11,2 km/s Ellipse
Forschungssatelliten
v = 11,2 km/s
Parabel
v > 11,2 km/s
Hyperbel
Pioneer-Raumsonden
fast überall verfügbar
kann über weite Strecken übertragen werden
ist eine „saubere“ Energieform
ermöglicht den Betrieb von elektrischen Geräten und
Anlagen, die wiederum Energiewandler sind, sowohl im
Haushalt als auch in der Industrie
– kann mit hohem Wirkungsgrad in andere Energieformen
umgewandelt werden
– Die Wirkungen des elektrischen Stromes werden in vielen
praktischen Anwendungen genutzt.
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78
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
8. Brennstoffzellen sind technische Anordnungen, mit deren
Hilfe aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom
erzeugt werden kann. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei
Elektroden und einem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem
Brennstoff, meist Wasserstoff, und die Katode mit Sauerstoff
versorgt. Der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden miteinander. Bei einer Betriebstemperatur zwischen 80 °C und
1000 °C gibt Wasserstoff an der Anode (Minuspol) Elektronen ab:
2H2 B 4H++ 4e–
Die frei gewordenen Elektronen fließen über einen Verbraucher zur Katode und können dabei Arbeit verrichten.
An der Katode nimmt Sauerstoff Elektronen auf. SauerstoffIonen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Anode und
vereinigen sich dort mit Wasserstoff-Ionen zu Wasser:
O2 + 4e– + 4H+ B H2O
Als Gesamtreaktion entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff
Wasser. Eine einzelne Zelle liefert eine Spannung von 0,6 V
bis 0,9 V. Durch Reihenschaltung solcher Zellen erreicht man
Spannungen bis etwa 200 V.
Der Vorteil von Brennstoffzellen besteht vor allem darin,
dass bei ihrem Betrieb keine Umweltbelastungen auftreten.
Die Rohstoffe Sauerstoff und Wasserstoff stehen nahezu
unbegrenzt zur Verfügung. Darüber hinaus ist ihr Wirkungsgrad mit 35 % bis 85 % sehr hoch.
Der derzeitige Nachteil von Brennstoffzellen besteht in
hohen Produktionskosten.
9.
Verfahren
Energieumwandlungen
Verbrennen von Biomasse
(z. B. Holz)
Ech in Etherm und ELicht
Verbrennen von Biomasse
(z. B. Holz) in einem Wärmekraftwerk
Ech über Etherm in Eel
Verbrennen von Biogas
(z. B. aus Gärungsprozessen)
Ech in Etherm und ELicht
Windkraftwerk:
kinetische Energie des Windes B kinetische Energie von
Turbine/Generator B elektrische Energie
geothermisches Kraftwerk:
thermische Energie der Erdkruste B thermische Energie
des Dampfes B kinetische Energie von Turbine/Generator
B elektrische Energie
12.
Kohlekraftwerk
Wasserkraftwerk
Windkraftwerk
Solaranlagen
Primär- nicht erneuerbar erneuerenergiebar
träger
erneuerbar
erneuerbar
Umwelt
belastungen
groß durch hohe
Abwärme, Ausstoß von Kohlenstoffdioxid,
Stickoxiden,
Schwefel
Eingriff in
die Natur
(Überflutung von
Tälern,
Flüsse
verlieren
Gefälle)
kaum,
nur Lärm
durch
Rotorblätter
gering
Baukosten
relativ gering,
aber Verteuerung durch Anlagen zur Entstickung und
Entschwefelung
der Abgase
wegen
der Talsperren
hoch
gering
noch
sehr
hoch
Betriebs hoch
kosten
gering
gering
gering
Wirtschaftlichkeit
gut bei
momentanen
Preisen für
Brennstoffe
gut
gut bei
günstigen
Windverhältnissen
nur bei
höherem
Wirkungsgrad
und
geringeren
Herstellungskosten
gut
Wirkungsgrad
40 %–50 %
bis 90 %
30 %
20 %
Anteil
ca. 51 %
an
Elektroenergieerzeugung
ca. 5 %
ca. 2 %
Betrieb
kontinuierlich
nur bei
Windstärke 3
effektiv
Verbrennen von Biogas
Ech über Etherm in Eel
(z. B. aus Gärungsprozessen) in
einem Wärmekraftwerk
Verbrennen von Biogas
Ech über Etherm in Ekin
(z. B. aus Gärungsprozessen) in
einem Verbrennungsmotor
Verbrennen von Ethanol aus
der alkoholischen Gärung in
einem Verbrennungsmotor
Ech über Etherm in Ekin
Verbrennen von Rapsdiesel in
einem Dieselmotor
Ech über Etherm in Ekin
10. Experiment
11. Recherche
11. Die Aufgabennummer 11 wurde im Lehrbuch doppelt vergeben. Dieser Fehler wird bei einem Nachdruck behoben.
Wärmekraftwerk:
chemische Energie der Brennstoffe (Kohle, Gas, Öl, Müll, Biomasse,) B thermische Energie des Dampfes B kinetische
Energie von Turbine/Generator B elektrische Energie
Kernkraftwerk:
chemische Energie des Brennstoffs (Uran) B thermische
Energie des Dampfes B kinetische Energie von Turbine/
Generator B elektrische Energie
Wasserkraftwerk:
mechanische Energie des gestauten oder fließenden Wassers
(kinetische Energie im Laufwasserkraftwerk, potenzielle
Energie im Pumpspeicherkraftwerk) B kinetische Energie
von Turbine/Generator B elektrische Energie
kontinuierlich
Abhängig von
Sonnenscheindauer
13. Mit 1 kWh Elektroenergie könnte ein 1000-W-Staubsauger
eine Stunde lang arbeiten. Eine Energiesparlampe (20 W)
könnte damit sogar 50 Stunden lang betrieben werden.
Massenvergleich: Man benötigt etwa eine doppelt so große
Masse Müll als Braunkohle bzw. eine fast viermal so große
Masse Braunkohle als Steinkohle oder Heizöl.
14. a) Wesentliche Teile eines Wärmekraftwerks sind der Kessel
zur Dampferzeugung, Dampfturbine, Generator, Kondensator und Kühlturm. Das Prinzip besteht darin, dass Wasser in einem geschlossenen Kreislauf strömt, in dem es
verdampft und wieder kondensiert. Der Wasserdampf
trifft auf Turbinen und wird im Kondensator wieder
abgekühlt. Im Dampferzeuger wird es von Neuem erhitzt.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Ein Teil des Dampfes, der aus den Turbinen austritt, wird
direkt als Fernwärme ausgekoppelt. Das geschieht in
einem Heizkondensator, in dem wird das Wasser eines
Heizkreislaufs erwärmt.
b) Wärmeleitung vom Kraftwerk zum Verbraucher ist nur
dann effektiv, wenn die Entfernung zwischen beiden
nicht zu groß ist.
15. Workshop
Einige Argumente könnten sein:
Geht man von den gegenwärtigen Zahlen aus, so ergibt sich:
In einer Reihe von Ländern kann Kernenergie kurz- und mittelfristig nicht ersetzt werden.
Für die Nutzung der Kernenergie spricht:
– Es ist in der Anwendung eine „saubere“ Energie, d. h. die
Schadstoffemissionen sind beim Betrieb von Kernkraftwerken gering.
– Es ist aufgrund der technischen Entwicklung eine gut
beherrschbare Technologie.
– vergleichsweise hoher Wirkungsgrad
– Kraftwerksblöcke mit hoher Leistung
Gegen die Nutzung der Kernenergie spricht:
– Der entstehende radioaktive Müll muss viele Jahrzehnte
lang sicher gelagert werden.
– Bei Unfällen oder Anschlägen auf zentrale Bereiche (Kernreaktor) können radioaktive Stoffe freigesetzt werden
und ganze Landstriche verseuchen.
– Risiko durch Sicherheitsmängel beim Transport der Brennstäbe und bei der Wiederaufbereitung der Brennstäbe.
16. Mutationen gehören zu den Spätschäden von radioaktiver
Strahlung, die erst bei den Nachkommen auftreten. Besonders häufig sind dann Missbildungen der unterschiedlichsten
Art bei Neugeborenen, Haut- und Blutkrankheiten sowie
bösartige Tumore. Radioaktive Strahlung wirkt nicht unmittelbar auf die DNA ein, sondern bildet in den Zellen Radikale, die mit der DNA chemische Reaktionen eingehen.
Dadurch kann es zu Brüchen im Einzel- oder Doppelstrang
der DNA kommen. Die Folge können Basenaustausch oder
ein Ausfall einer Nucleotids innerhalb der DNA sein.
17.
Äquivalentdosis in
Sievert
Wirkungen bei kurzzeitiger
Bestrahlung
bis 0,5
Geringfügige Veränderung des
Blutbilds, keine Langzeitwirkung
0,8 –1,2
Bei 5 –10 % der Betroffenen etwa
1 Tag lang Erbrechen, Übelkeit und
Müdigkeit
1,3 –1,7
Bei etwa 25 % der Betroffenen etwa
1 Tag lang Erbrechen, Übelkeit und
Müdigkeit, gefolgt von anderen
Symptomen der Strahlenkrankheit,
keine akuten Todesfälle
1,8 –2,6
Bei etwa 25 % der Betroffenen etwa
1 Tag lang Erbrechen, Übelkeit und
Müdigkeit, gefolgt von anderen
Symptomen der Strahlenkrankheit,
keine akuten Todesfälle
2,7–3,3
Bei fast allen Betroffenen Erbrechen
und Übelkeit am ersten Tag, gefolgt von
anderen Symptomen der Strahlenkrankheit, etwa 20 % Todesfälle innerhalb
von 2 bis 6 Wochen
3,4 –5,4
Bei allen Betroffenen Erbrechen und
Übelkeit am ersten Tag, gefolgt von
anderen Symptomen der Strahlenkrankheit, etwa 50 % Todesfälle innerhalb
eines Monats
79
5,5–7,7
Bei allen Betroffenen Erbrechen und
Übelkeit innerhalb von 4 Stunden nach
der Bestrahlung, gefolgt von anderen
Symptomen der Strahlenkrankheit, bis
zu 100 % Todesfälle, nur wenige Überlebende
10
Bei allen Betroffenen Erbrechen und
Übelkeit innerhalb von 1–2 Stunden,
wahrscheinlich keine Überlebenden
50
Fast augenblicklich einsetzende
schwerste Krankheit, Tod aller Bestrahlten innerhalb einer Woche
18. Fossile Brennstoffe sind aus vor Millionen von Jahren abgestorbenen Organismen entstanden. Die ehemalige Biomasse
enthält darum neben dem Hauptbestandteil Kohlenstoff
und Wasserstoff auch Amino- und Schwefelverbindungen,
die größtenteils aus den Eiweißen der Organismen stammen.
Ein Teil des Schwefels wurde im Verlauf der Zeit in Schwefelwasserstoff umgewandelt, ein anderer Teil ist immer noch
organisch gebunden.
Bei der Verbrennung entstehen Stickstoffoxide durch zwei
Prozesse: Erstens wird der organisch gebundene Stickstoff
(Amino-Gruppen) bis hin zum Stickstoffdioxid oxidiert.
R-CH2-NH2 + 3,5 O2 B R = O + CO2 + 2 H2O + NO2
Zweitens sind die Temperaturen bei der Verbrennung fossiler
Energieträger so hoch, dass Stickstoffoxide aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft gebildet werden. Bei Temperaturen über 1000 °C reagiert selbst der reaktionsträge Stickstoff
unter Bildung von Stickstoffmonooxid, das in der Folge weiter oxidiert werden kann.
N2 + O2 B 2 NO
2 NO + O2 B NO2
19. Saurer Regen entsteht durch saure Oxide, die aus verschiedenen Quellen an die Atmosphäre gelangen und dort mit Luftbestandteilen zu Säuren reagieren. Der saure pH-Wert des
Regenwassers ist teilweise durch natürliche Prozesse
bedingt. So enthält die Atmosphäre Kohlenstoffdioxid und
bei Gewittern gebildete Stickstoffoxide. All diese Nichtmetalloxide reagieren mit der Luftfeuchtigkeit unter Bildung
von Säuren, sodass der pH-Wert von sauberem Regen schon
bei ca. 5,6 liegt.
Durch die Freisetzung weiterer saurer Gase infolge menschlicher Aktivitäten nimmt der pH-Wert des Regenwassers noch
weiter ab. Die Verbrennungsabgase von Kraftwerken und
Autos sind die Hauptquellen von Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxiden und Schwefeldioxid. Vor allem letztere bilden in
der Atmosphäre starke Säuren (Salpetersäure und Schwefelsäure), die je nach Menge zu einer stärkeren Versauerung
des Regens und des Bodens führen.
4 NO2 + 2 H2O + O2 B 4 HNO3
2 SO2 + 2 H2O + O2 B 2 H2SO4
Der saure Regen schädigt die Vegetation, aber auch höhere
Organismen und Bauwerke. Der niedrige pH-Wert des
Regenwassers führt zur Versauerung des Bodens. Die Bodenbakterien besitzen keine geeigneten Lebensbedingungen
mehr, sie sterben ab. Im Boden existieren aus dem Verwitterungsprozess stammende Metallverbindungen, die wegen
ihrer Unlöslichkeit für das Bodenleben ohne Bedeutung
waren. Durch Säuren werden diese nun in wasserlösliche
Stoffe überführt und von den Pflanzen aufgenommen,
sodass sie deren Stoffwechselprozesse stören.
Von besonderer Bedeutung sind die Schäden im Assimilationsgewebe, die die Fotosynthese beeinträchtigen. Es können aber auch Schäden an den Wurzeln auftreten, die dann
zu Störungen in der Wasser- und Nährstoffaufnahme führen.
Erkennbar sind die Wirkungen des sauren Regens an Wuchs-
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80
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
störungen der Pflanzen, am Abwerfen von Nadeln bzw. Blättern, der Wipfeldürre und Kronenverlichtung und schließlich
dem Tod der Pflanzen (Waldsterben).
Auch Gewässer können infolge des sauren Regens versauern.
Da die Lebensfähigkeit der Wasserorganismen, insbesondere
die der Fische, je nach Art von einem bestimmten pH-Wert
abhängig ist, kann ein Fischsterben stattfinden.
An Bauwerken verursacht der saure Regen Korrosionsschäden durch chemische Reaktionen. Carbonathaltige und
damit wasserunlösliche Baumaterialien werden durch die
Säuren des sauren Regens in lösliche Verbindungen überführt und vom Regenwasser weggespült. Die Bauwerke bzw.
Kunstwerke verlieren zunächst ihre Konturen und später
ihre Stabilität. Metallkonstruktionen korrodieren durch den
sauren Regen. Das Aussehen verändert sich, später wird die
Stabilität und Festigkeit beeinträchtigt.
(Hinweis: Neben den Folgen des sauren Regens sind auch
noch die Auswirkungen der sauren Gase selbst in der Atmosphäre zu beachten.)
20. Die entstehenden Rauchgase werden zunächst „entstickt“,
gelangen dann in die Entstaubungsanlage und von dort in
die Entschwefelungsanlage. Ziel ist es, die entstehenden
Stickstoffoxide schon bei der Verbrennung um etwa ein Drittel zu reduzieren.
Entfernung der Stickstoffoxide:
Das geschieht in einem Katalysator unter Zugabe von einem
Gemisch aus Ammoniak und Luft. Die Anlagen werden
DENOX-Anlagen genannt. Durch das Verfahren liegt der
Anteil an Stickoxiden (NOx) unter 200 mg/m3 Rauchgas. Der
Anteil der Wärmekraftwerke an der Belastung der Luft
durch Stickstoffoxide ist durch diese Anlagen stark gesunken. Der größte Anteil wird durch Kraftfahrzeuge verursacht.
Rauchgasentschwefelung:
Da Kohle bis 4 % Schwefel enthält, verbrennt dieser in der
Kohle mit und wird als Schwefeldioxid (SO2) freigesetzt.
Zusammen mit Luftfeuchtigkeit wird Schweflige Säure
(H2O3) und Schwefelsäure (H2SO4) gebildet. In einer Entschwefelungsanlage werden die Rauchgase mit einem
Gemisch aus Kreide und Wasser besprüht. Damit wird das
SO2 im Rauchgas chemisch gebunden. Über mehrere Prozesse entsteht Gips (CaSO4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Der
Gips findet als Baustoff Verwendung, CO2 entweicht in die
Atmosphäre. In modernen Anlagen liegt der Abscheidegrad
der Entschwefelung über 95 %.
21. Die Anlage wird auch Fliehkraftabscheider genannt. Das Verfahren wird genutzt, um Staub aus Gasen abzusondern. Das
Gas wird in eine Drehbewegung versetzt. Die auf den Staub
wirkenden Trägheitskräfte beschleunigen ihn radial nach
außen, sodass er vom Gasstrom abgetrennt wird und in den
Staubbunker fällt. Das Gas wird nach innen abgesaugt.
– Nutzung moderner Maschinen mit geringem Wasserverbrauch
24. Erkundungsaufgabe
25. a) Eine Energiesparlampe benötigt etwa ein Fünftel der
Energie, die eine 100-Watt-Lampe benötigt. Angenommen, die Lampen sind im Jahr pro Tag fünf Stunden lang
in Betrieb. Für die 100-Watt-Lampe ergibt sich dann folgendes:
E = 100 W ◊ 5 h ◊ 365 = 182,5 kWh.
Mit einem Preis von 0,15 Euro pro 1 kWh, betragen die
Kosten dann 27,38 Euro.
Die Kosten für die Energiesparlampe sind um ein Fünftel
geringer, also 27,38 Euro/5 = 5,48 Euro. Damit ergäbe sich
eine Einsparung von 21,90 Euro.
b) Angenommen, ein Fernsehgerät befindet sich 18 Stunden
pro Tag im Stand-by-Modus. Die Leistung, die dabei
umgesetzt wird, beträgt etwa 10 W. Im Jahr wird die
Energie von E = 65,7 kWh benötigt. Die Kosten für diesen
Stand-by-Betrieb betragen rund 10 Euro.
26. – Kochen: passende Topfdurchmesser für entsprechende
Heizplatten wählen; niedrigere Stufe schalten, wenn Siedevorgang eingetreten ist; rechtzeitig ausschalten (gart
nach); nur so viel Wasser erhitzen, wie wirklich gebraucht
wird; Schnellkochtopf nutzen
– Kühlen: Schranktüren nicht unnötig lange öffnen, möglichst kühlen Platz wählen
– Beleuchten: Lampe mit richtiger Leistung an richtigen
Platz; nicht ganze Räume ausleuchten, wenn nur im
Arbeitsbereich viel Licht benötigt wird; Leuchtstoff- und
Energiesparlampen verwenden
– Waschen und Trocknen: möglichst selten sogenannte
Kochwäsche bei 95 °C waschen, oft reichen
– 60 °C, keine Einzelstücke oder geringe Mengen waschen,
Wäsche sammeln bis zur zulässigen Füllmenge, Waschen
bei möglichst niedrigen Temperaturen, Nutzung moderner
Maschinen mit geringem Wasserverbrauch, möglichst oft
auf Wäschetrockner verzichten
– energiesparende Geräte: bei vergleichbaren Typen Leistungsangaben auf Typenschildern vergleichen, Nutzung
von Geräten mit hoher Leistung wird teuer
– Heizen: Raumtemperaturen beachten (Wohnräume und
Bad ca. 22 °C; Schlafräume ca. 18 °C; Räume, in denen man
sich in der Regel nur kurze Zeit aufhält wie Flur oder
Küche ca. 18 °C)
22. Nutzer von Elektroenergie in Deutschland, geordnet nach
steigendem prozentualem Verbrauch: Landwirtschaft
(1,5 %), Verkehr (3,2 %), öffentliche Einrichtungen (8,0 %),
Handel/Gewerbe (13,7 %), Haushalte (25,8 %), Industrie
(47,8 %). Fast die Hälfte der Elektroenergie wird von der
Industrie genutzt.
23. a) Erkundungsaufgabe
b) Heizung
c) – möglichst selten sogenannte Kochwäsche bei 95 °C
waschen, oft reichen 60 °C
– keine Einzelstücke oder geringe Mengen waschen,
Wäsche sammeln bis zur zulässigen Füllmenge
– Waschen bei möglichst niedrigen Temperaturen
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