5 Übungsstationen zu Energieumformungen - SINUS

5 Übungsstationen zu Energieumformungen
Material:
Sprungbälle
Meterstäbe
Knetmasse
Metallfeder
Glucker (Murmeln)
Fahrbahnstreifen
Elektrisches Thermometer
Elastischer Stab mit Schwingmasse
Diverses Stativmaterial
Einsatz:
Jahrgangsstufe 9, Erarbeitung von Zusammenhängen mit verschiedenen Energieformen
Vorkenntnisse: Kinetische und potentielle Energie, Federkonstante
Arbeitsauftrag:
Die Schüler führen in Arbeitsgruppen jeweils einen der Versuche durch. Die
Versuchsbeschreibung und –auswertung erfolgt im Laborbuch1. (Die Versuche sind
einander so ähnlich, dass der Unterrichtsnachlauf das wechselseitige Verständnis
ermöglicht.)
Unterrichtlicher Vorlauf:
-
-
Bau eines Schwerependels mit der Aufgabe, die Schwingungsdauer bei
unterschiedlichen Pendellängen und Massen zu bestimmen (Hausaufgabe unter
Verwendung von Schnur, Küchenwaage und Uhr)
Instruktionsstunde zur Auswertung der Hausaufgabe und Betrachtung des
Schwerependels im Lichte von potentieller und kinetischer Energie
Unterrichtlicher Nachlauf:
-
Instruktionsstunde zur elastischen Energie Wel = ½ Dx2
Gemeinsame Bearbeitung des Übungsblattes
Folienkopie gelungener Auswertungen von Stationsversuchen und Besprechung am
Tageslichtprojektor
Geplante Fortsetzung:
Übergang zur Wärmeenergie mit molekularer Deutung nach Brown.
1
Ein Bericht zum Einsatz des Laborbuches findet sich im Kapitel "Naturwissenschaftliches Arbeiten" der
Broschüre "Weiterentwicklung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts – Erfahrungsbericht
zum BLK-Programm SINUS in Bayern"
Station 1: Sprungkurve zeichnen
Du hast einen Sprungball und ein Lineal. Sicher weißt du, was passiert, wenn du den Ball
aus 1 m Höhe fallen lässt. Aber hast du es auch schon gemessen? Und: Hast du schon
einmal versucht, eine Sprungkurve zu zeichnen?
Auftrag:
Lasse den Ball aus 1 m Höhe fallen und bestimme die Sprunghöhen für die nächsten 10
Sprünge. Mache den Versuch ein paar Mal, denn es ist gar nicht so einfach zu sehen, in
welche Höhe der Ball zurückspringt.
Sprung
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Höhe
in cm
Und nun werden die Höhen zu einer stetigen Sprungkurve verbunden. Stelle dir vor, dass
die Bewegung in (0, 100 cm) beginnt und dass dann die Zeit läuft. Die gemessenen
Sprunghöhen liegen dann über den Werten 1, 2, 3 usw. auf der Rechtswertachse.
Station 2: Elastizitätsvergleich von Bällen
Du hast verschiedene Bälle. Sie sind von unterschiedlicher Elastizität. Je elastischer der
Ball ist, desto höher ist der 1. Sprung.
Auftrag:
Vergleiche die Elastizität von Bällen. Lasse die Bälle jeweils aus einer Höhe von 1 m
fallen, und miss die erste Sprunghöhe. Berechne den Energieverlust, der sich daraus
ergibt, dass der Ball die Ausgangshöhe nicht mehr erreicht.
Ball
Höhe 1. Sprung
Energieverlust
Energieverlust in
Prozent
Überlegungs- und Rechenfrage:
a) Wähle den elastischsten Ball aus. Beobachte, nach wie vielen Sprüngen er nur
noch 50 cm hoch springt.
b) Nimm an, dass der Energieverlust in Prozent bei jedem Sprung gleich ist. Wie viel
Energie hat dieser Ball dann noch nach dem 2, 3. Sprung? Wie hoch käme er dann
noch? Stimmt deine Rechnung mit dem Messergebnis aus a) überein?
Station 3: Inelastische Knetmasse
Forme eine Kugel aus Knetmasse und lasse sie aus verschiedenen Höhen fallen.
Betrachte die Kugel nach dem Fall. Was kannst du beobachten? Wohin ist bloß die
kinetische Energie, die vor dem Aufprall da war? Sie ist komplett weg! Oder?
Auftrag:
1) Lasse die zu einer Kugel geformte Knetmasse aus 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm,
50 cm, 100 cm, 150 cm Höhe fallen und miss die Deformation mit Hilfe eines Lineals
möglichst genau.
2) Wirf die Knetmassenkugel mit Schwung gegen die Wand und versuche
herauszubekommen, mit welcher Geschwindigkeit sie deine Hand verlassen hat.
3) Und nun suchen wir nach der "verschwundenen" kinetischen Energie!
Die Kugel soll 4 Minuten lang intensiv geknetet werden. Miss die Temperatur der
Knetmasse vor und nach der Bearbeitung.
Zeit in min
1
2
3
4
Temperatur in
Grad Celsius
Beschreibe deine Beobachtung in 2 Sätzen. Erkläre die Erwärmung der Knetmasse.
Wieso kann es nicht sein, dass die Körperwärme die Ursache der Erwärmung ist?
Zum Schluss deines Textes: Im Eingangstext steht eine Frage. Vielleicht kannst du
nun eine Antwort darauf geben!
Station 4: Umwandlung: Elastische → kinetische →
potentielle Energie
Du hast eine Feder, eine Kugel und ein Stück Fahrbahn. Wie kann man damit Physik
machen? Ganz einfach: Man muss beobachten, analysieren und messen.
Arbeitsauftrag:
Spanne die Feder und schieße die Kugel damit die Fahrbahn hoch. Gesucht ist ein
Zusammenhang zwischen Steighöhe und Spannweg der Feder.
Spannweg in cm
Steighöhe in cm
Federenergie=
pot. Energie in J
Trage in das Diagramm die Federenergie nach oben und den zugehörigen Spannweg
nach rechts ab. Welche Art von Kurve kann man erkennen?
Reflexion als kleiner Aufsatz:
Beschreibe einen technischen Vorgang, bei dem elastische Energie genutzt und in andere
Energieformen umgesetzt wird. Ergänze deinen Text durch Zeichnungen.
Station 5: Umwandlung von Energie im Stabhochsprung
Tim Lobinger überspringt am 02.03.2002 in Wien 5,75 m - © Herbert Czingon 2002 - All rights reserved.
Die folgenden Bilder sind Auszüge einer Fotoreportage. Tim Lobinger überspringt 5,75 m.
Es ist völlig klar, dass er das alleine mit seiner Muskelkraft schafft. Aber er muss dazu
einen Stab verwenden, den er geschickt einsetzt. Beschreibe für jedes Bild kurz, welche
Energieform vorliegt und welche Energieumwandlung stattfindet.
Formeln zur Energie – Formelsammlung zum Lernen
Kinetische Energie
Wkin = ½ m v2
Potentielle Energie
Wpot = m g h
Elastische Energie
Wel = ½ D x2
Reibungsenergie
Wreib = Freib · s
Standardaufgaben:
1) Eine Gummischleuder ist 7cm weit gespannt. Die Dehnungskonstante des Gummis
ist 2 Newton pro cm. Ein Stein mit Masse m = 20g wird damit senkrecht nach oben
geschossen. Wie hoch fliegt er?
2) Ein Stück Knetmasse der Masse 50 g wird aus 2 m Höhe fallen gelassen. Mit
welcher Geschwindigkeit schlägt es am Boden auf?
3) Ein 70g schwerer Ball wird aus 0,9 m Höhe fallen gelassen und springt auf 60 cm
Höhe zurück. Wie viel Energie hat er verloren, wie viel Energie hat er noch nach
dem ersten Sprung? Wie viel Energie hat er noch nach dem 5. Sprung und wie
hoch kommt er dann noch?
4) Ein Looping-Wagen hat erfährt eine Reibungskraft von 10 % seiner Gewichtskraft.
Wie weit rollt er horizontal, wenn er den Looping mit einer Geschwindigkeit von
v = 20 m/s verlässt?
Er wird auf einer Strecke von 30 m durch einen Gegenhang von 5 m Höhe
gebremst. Wie schnell kommt das Fahrzeug oben an?
5) Eine Feder ist sehr elastisch. Aber auch Gummi, Spinnenfäden, Seile, Fäden,
Schilfhalme usw. sind elastisch. Denke bis auf die Ebene der Atome und Moleküle
und spekuliere, wie es wohl dazu kommt, dass Materialien elastische Eigenschaften
haben.