1 Akustik

Herr Amrein: Physik Klasse 7··
Inhaltsverzeichnis
1Akustik..................................................................................................................................2
1.1Schall und Schallquellen...............................................................................................2
1.2Schallausbreitung.........................................................................................................2
1.3Schwingungen messen.................................................................................................4
1.4Schwingungen aufzeichnen..........................................................................................5
1.5Die Tonleiter..................................................................................................................7
1.6Schallgeschwindigkeit...................................................................................................8
1.7Schall und Lärm............................................................................................................9
2Mechanik............................................................................................................................10
2.1Geschwindigkeit..........................................................................................................10
2.2Bewegungen in Schaubildern darstellen....................................................................12
2.3Der Impuls...................................................................................................................14
2.4Kräfte..........................................................................................................................16
2.5Kräfte messen und einzeichnen.................................................................................17
2.6Kraft dehnt eine Feder................................................................................................17
2.7Die Gewichtskraft........................................................................................................18
2.8Gewichtskraft und Ortsfaktor......................................................................................19
2.9Reibungskraft..............................................................................................................20
2.10Kräftegleichgewicht...................................................................................................21
2.11Dichte........................................................................................................................23
2.12Auftrieb......................................................................................................................24
3Energie...............................................................................................................................25
3.1Energieformen............................................................................................................26
3.2Energiewandler...........................................................................................................26
3.3Energieentwertung......................................................................................................27
3.4Energie berechnen.....................................................................................................28
3.5Höhenenergie.............................................................................................................29
3.6Leistung......................................................................................................................30
Folie: Der erste Tag
Sicherheitsbelehrung zum Verhalten im Physiksaal
Einstieg in die Physik:
Versuch:
Bandgenerator erzeugt Blitze.
Tafel:
Physik (gr. Physica) bedeutet Natur. Welche Begriffe gehören zur Physik?
(Grob nach Themen sortiert an die Tafel schreiben)
Blitz
Regenbogen
Licht
Schall
Elektrizität Blitz
Magnete
Energie
Kraftwerk
Lautsprecher
Rakete
Die Physik versucht die (unbelebte) Natur zu erklären indem sie Experimente
und Versuche macht.
Versuch:
Nasser Boden ist rutschig, aber nasses Papier ist klebrig (es klebt an der
Tafel)
Frage: Welche Versuche könnte man machen um das Phänomen zu erklären
Ergebnis: Dinge die auf den ersten Blick selbstverständlich sind müssen
manchmal sehr genau untersucht werden
Beispiel:
Warum ist der Himmel blau?
Wieso hat eine Schneeflocke immer sechs Ecken?
Aufgabe:
Schreibe drei Fragen auf die, von denen du glaubst, das die Physik sie
beantworten kann. (Nicht so etwas wie „wie baut man Photonentorpedos?“)
1 Akustik
1.1 Schall und Schallquellen
Schall
Versuch 1:
Klangrätsel: Div. Schallquellen
erklingen. Schüler mit
geschlossenen Augen raten lassen.
Schüler ordnen in Tabelle ein.
Problem:
Bevor wir eine Blattfeder
schneppern lassen überlegen wir.
Ton
Geräusch
Gitarrenseite/
Monocord
Buch zuschlagen
Stimmgabel
Rassel
Flöte
Papier zerknüllen
Glas „singt“
Reißverschluss
Was ist bei Tonerzeugern anders als
bei Klangerzeugern?
Petlasche
Versuch 2:
Stimmgabel und Gitarrensaite zeigen unter dem Stroboskop, dass sie schwingen.
Merke:
Um einen Ton zu erzeugen muss die Schallquelle schwingen/vibrieren.
Bei Geräuschen genügt einmalige Bewegung
1.2 Schallausbreitung
Versuch 1:Handy unter Vakuumglocke
Beobachtung:Saugt man die Luft ab, kann
man das Handy nicht mehr hören
Luft
Keine Luft
Erklärung: Es braucht Luft, damit sich Schall ausbreiten kann.
Versuch 2: Tambourine
Ball
Tambourin
Beobachtung: Erzeugt die Hand einen Knall, so springt der Ball vom
Tambourin weg
Erklärung: Schall ist Luftbewegung. Die Luftbewegung wird vom Tambourin
aufgefangen.
Vermutung: Schall bewegt sich wie eine Art Wind.
Versuch3:
Lautsprecher und Kerze
Ergebnis: Schall ist Luftbewegung, aber nicht wie ein Wind?
Frage: Wie geht das?
Versuch4:Spiralfeder oder Magnetkugelbahn
Ein Ring/Magnet steht für ein Luftteilchen.
Ein Knall bedeutet: Eine Bewegung wird weitergegeben.
Ein Ton bedeutet: Eine permanente Schwingung wird weitergegeben.
Teilchenmodell:
Wir nehmen an Luft besteht aus Teilchen. Solange kein Wind ist, bleiben die
Luftteilchen wo sie sind, können sich aber gegenseitig anstoßen.
Die Stimmgabel stößt das erste Luftteilchen an. Dann gibt jedes Luftteilchen
den Stoß weiter. Das Ohr nimmt den Stoß auf: Es hört.
Versuch 5: Schallausbreitung in Metall
Wir lauschen am Geländer oder an Eisenstangen die wir uns in die Ohren
stecken.
Nun leiten die Eisenteilchen den Schall!
Schallgeschwindigkeit: In Luft: 333m/s In Eisen: 5170m/s
→ In Eisen gibt es mehr Teilchen, Schall wird schneller und besser
übertragen.
1.3 Schwingungen messen
Bemerkung: Größen und Einheiten: Preis=3€ Alter=14Jahre; t=3s; t=12d
Schwingende Lineale
Auslenkung aus dem Gleichgewicht → Amplitude a
a=0,5cm → Leiser Ton
a=2cm → Lauter Ton
Schwingungsgeschwindigkeit → Frequenz f
Lineal Lang →Frequenz f klein → Ton tief
Lineal kurz → Frequenz f groß → Ton hoch
Animation:
Person vor Lautsprecher
Merke:
Große Frequenz → Hoher Ton
Große Amplitude → Lauter Ton
Versuch:
Pendel zeigt Zusammenhang von T und f
Die Schwingungsdauer T und die Frequenz f= Anzahl der Schwingungen die
das Pendel pro Sekunde (Hz) ausführt, hängen zusammen.
Schwingungsdauer: T
Frequenz: f
Pendellänge l
0,5s
2Hz
Ohne Messung (6,31cm)
0,25s
4Hz
Ohne Messung (1,55cm)
1s
1Hz
24,8cm
2s
0,5Hz
99,4cm
3s
1/3 Hz=0,333Hz
2,23m
7s
1/7Hz=0,143Hz
12,2m
Merke:
Die Frequenz f ist der Kehrwert der Schwingungsdauer T.
f=
1
und
T
die Schwingungsdauer T ist der Kehrwert der Frequenz f
T=
1
f
Bsp: geg.:T=1,12s ges.: f
Beispiel:
1
1
f= =
=0,893 Hz
T 1,12 s
Pendel evtl. große Blattfeder evtl Gitarrenseite (Stroboskop) evtl Stimme.
a
Versuch:
1.
10 T=23,1 s→T =0,231
1
1
f= =
=4,33 Hz
T 0,231 s
2. …
3. ...
Messungen am Pendel:
Beim eigentlichen Messen auf die Reduktion von Messfehlern (10x) gründlich
eingehen. Beim
Schülerversuch:
Baue ein Pendel auf. Stoppe die Schwingungsdauer T in horizontaler
Richtung und T in vertikaler Richtung und berechne die Frequenzen f und f
Skizze:
Messung:
T=
T
T=
Rechnung:
T
f=
f=
Haufgabe:
S 8/9 Lesen A1 und A2 lösen
A1: 9T=12s → T=1,33s → f=1/T=1/1,33s=0,75Hz
A2: T=1/f=1/440Hz=0,00227s
Versuch:
T=1/f=1/443Hz=0,00226s
Frequenzgenerator erzeugt Schwingungen.
Ich kann Töne zwischen f=_____Hz und f=_____Hz hören.
Folie:
Was die Tiere hören können
1.4 Schwingungen aufzeichnen
Versuch:
Schüler auf Skateboard
Zunächst Schüler mit Frequenz
f=1Hz
dann Schüler mit Frequenz f=4Hz
(Animation)
Versuch:
Schreibstimmgabel, Oszilloskop,
Beispiel:
a) Zeichne eine Schwingung mit T=3s
und a=2cm.
b) Zeichen eine Schwingung mit
T=0,02s und a=1cm.
c) Eine Schwingung hat eine Frequenz
von f=2 Hz und einer Amplitude von
a=2cm, die abnimmt.
1
1
ges .:T : T = =
=0,5 s
f 2 Hz
Aufgabe:
a) Zeichne eine Schwingung mit Periodendauer T=4s und Amplitude a=2cm
b) Zeichne eine Schwingung mit Periodendauer T=0,2s und Amplitude a=1cm.
c) Zeichne zu b) eine Schwingung mit gleicher Amplitude aber doppelter
Periodendauer hinzu
d) Zeichne den Verlauf eines Tons mit der Frequenz f=25Hz und a=1,5cm.
e) Zeichne zu d) den Verlauf eines doppelt so hohen Tons hinzu.
Schülerversuch:Schwingungen messen und zeichnen.
Skizze:
Messung:
T=
a=
Auswertung:
(Schwingung zeichnen)
(Für Schnelle: Hänge zwei Masse-Stücke zusammen,
messe erneut T und a und zeichne die Schwingung in das Diagramm hinzu)
HAufgaben: Aufgabenblatt
Versuch:
Oszilloskop (Einstellung: 0,5Pa; 2ms) nimmt verschiedene Instrumente und
gesungene Vokale (A,E,I O U) auf. Nach Möglichkeit immer bei der selben
Frequenz.
Ein Sänger versucht der f=440Hz Stimmgabel nachzusingen. Aus T wird f
berechnet.
Animation:
E-Piano zeigt Töne auf dem Oszilloskop
Merke:
Die Schwingung einer Stimmgabel sieht wie eine perfekte Welle (Sinuslinie)
aus. Jedes Instrument hat aber trotz gleichen Frequenzen/Tönen eine
andere Schwingungsart und klingt daher verschieden.
Bild:
Klangfarbe der Instrumente
Film:
Klangfarben und Obertöne
1.5 Die Tonleiter
Austeilen: Tonleiter und Frequenzen
Versuch:
Das E-Piano (Tasten qwert) spielt die Intervalle. Markiere diejenigen Noten,
die besonders schön mit dem Grundton klingen.
Merke:
Eine Tonleiter entsteht durch Intervalle.
Ein Intervall ist das Verhältnis der zweiten Frequenz f zur Grundfrequenz f0.
Die doppelte Frequenz (f= 2·f0) ergibt genau eine Oktave.
Einfache Frequenzverhältnisse (z.B. f= 3/2·f0) ergeben schön
klingende Intervalle.
Haufgabe:
(Freiwillig) Download der Apps: Harmonicity Meter.
Stimme zwei Rotweingläser oder zwei leere Flaschen so,
dass f=2 f0 oder f=3/2 f0
Instrument
Grundton f0
Generator
500Hz
Terz f=5/4f0
Quinte f=3/2f0
Oktave f=2f0
(mit Bleistiftstrichen)
Flaschen
155Hz
Flöte
Klavier
Lochscheibe 10/s
240Hz
Lochscheibe 30/s
HA:
Aufgabe:
a)Du beginnst mit einem Ton f0=350Hz. Nun spielst du die Oktave zu diesem
ersten Ton und dann die Quinte zu diesem zweiten Ton. Welche beiden
Frequenzen kamen dazu?
b)Eine Stimmgabel hat die Periodendauer T=0,002s. Berechne die Frequenz
f0 und die Frequenz der dazugehörigen Oktaven-Stimmgabel.
c) Ein Mensch kann zwischen 20Hz und 20.000Hz hören. Wie viele Oktaven
sind das?
20Hz → 40Hz → 80Hz → 160Hz → ….
Versuch:
Der tiefste Ton den jemand in der Klasse singen kann?
fT=
Der höchste Ton den jemand in der Klasse singen kann?
fH=
Wie viele Oktaven sind also möglich?
fH=
→
→
→
→
→
(Wir vergleichen mit dem Klavier)
1.6 Schallgeschwindigkeit
Einstieg:
Film Schallgeschwindigkeit
GAufgabe:
Erinnere dich an das Teilchenmodell (z.B. Magnetrollen stehen für
Luftteilchen).
Beantwortet in 1-3 Sätzen: Warum erklärt das Teilchenmodell, dass der
Schall eine Weile braucht um von A nach B zu kommen.
Frage:
Betrachte die folgende Tabelle. Was fällt dir auf?
Medium
Luft
Wasser
Beton
Stahl
Gummi
Schallgeschwindigkeit
340m/s
1500m/s
3800m/s
5900m/s
150m/s
Merke:
In Luft kommt der Schall 340m/s. In drei Sekunden kommt er also 1km.
Je dichter/schwerer ein Material ist, desto schneller breitet sich Schall darin
aus.
Versuch:
Schallausbreitung in Festkörpern
Ofenrost an Schnüre hängen, Schnüre um Finger, Finger in die Ohren.
→ Tolles Klangerlebnis wenn man den Rost anschnippst
Versuch:
SinusVerschiebt man das
Oszi.
Mikrofon um s=0,17m, so generator
kommen die Schwingungen
t=0,0005s später.
Ext Trigger
Dreisatz:
0,0005s
→ 0,17m
0,0001s
→ 0,034m
1s
→ 340m
Mikrofon
s
Ergebnis: Der Schall kommt in einer Sekunde 340m weit.
Aufgaben:
Arbeitsblatt Schallgeschwindigkeit
Versuch:
Harte Stoffe reflektieren den
Ulrtraschall Oszi
Schall/Ultraschall. Weichere Stoffe
wie Taschentücher oder Wasser,
Ext Trigger
lassen den Schall hindurch.
s
s
Fährt man mit dem Mikrofon
(Reflexion ist leider nicht zu beobachten) die Konturen einer Puppe ab, so
kann an den Oszilloskop-Verschiebungen die Umrisse der Puppe erahnen.
Ultraschallbild
Animation:
Schallwellen (Nur einzelner Puls mit ein/zwei Wänden hinzufügen)
1.7 Schall und Lärm
Austeilen:
Das Ohr nimmt Schall wahr.
Merke:
„Laut“ „Leise“ ist subjektiv und kann daher kein Messergebnis sein.
Die Dezibell-Skala (dB) beschreibt die Schall-Stärke
0dB
→ leisestes Geräusch
65dB
→ Stress
85dB
→ Gehörschäden entstehen langsam
130dB
→ Schmerzgrenze
Versuch:
Schallpegelmesser oder Harmonicity Meter
Was?
Leise Klasse
Schallstärke in dB 40
Laute Klasse Normale Klasse Flöte
Pfiff
85
86
65
70
Aufgabe:
Erstelle ein Säulendiagramm
100
80
dB
60
40
20
0
Leise Klasse
Laute Klasse
Normale Klasse
Flöte
Pfiff
Puppe
+3dB+3dB
·2·2=4 mal lauter
Aufgabe:
Für die dB-Skala gilt: Ist ein Wert A um
+3bB größer als ein Wert B. So ist die
Schallstärke von A doppelt so groß.
+3dB
2 mal lauter
Schreibe in dein Säulendiagramm, wie sich 20dB
die Lautstärke von Säule zu Säule ändert.
-3dB-3dB-3dB
2·2·2=8 mal leiser
23dB 29dB
17dB
Einheit Akustik:
Zusammenfassung in Gruppen
2 Mechanik
(Die Lehre von Bewegungen und Kräften)
2.1 Geschwindigkeit
Folie:
Zwei Freundinnen wollen via Telefon herausfinden, werde dass schnellere
Pferd hat (sie haben Uhren und Meterstäbe)
Schneller ist…
...wer die Stecke s in der kleineren Zeit t schafft,
…wer in der fixen Zeit t mehr Stecke s schafft
Aufgabe:
Leas Pferd:
s=253m in t=23s
Coralies Pferd
s=180m in t=15s
Begründe welches Pferd schneller ist?
Merke:
Man kann die Geschwindigkeit v ausrechnen, indem man sich fragt, wie weit
s
ein Körper in einer Sekunde kommen würde: v=
t
Aufgabe:
Leas Pferd:
s 253 m
m
v= =
=11
t
23 s
s
Coralies Pferd:
s 180m
m
v= =
=12
t
15s
s
Schätze: Ich: v=____m/s
Schülerversuch: Höchstgeschwindigkeit
Skizze:
Messung:
Strecke s=____m
t
Anlauf
s
Zeit t=___s
Rechnung:
Aufgaben:
Fülle die Tabelle aus: (Ohne unterste Zeile und ohne Auto)
Hund
Hase
Biene
Falke
Gepard
(Sturzflug)
Schnecke Auto
Strecke s 20m
5m
300m
50m
50m
8cm=0,08m 27,8m
Zeit t
2s
0,5s
1min
0,5s
1,48s
10s
2s
Gesw. v
10m/s
10m/s
5m/s
100m/s
33,8m/s
0,008m/s
13,9m/s
Gesw. v
36km/h
36 km/h
18km/h
360km/h
122km/h
0,0288km 50km/h
/h
Umrechnen: 5m/s
Aufgabe:
=18000m/h
/1000
*3600
Ein Schritt: *3,6
=18km/h
Fülle den Rest der Tabelle.
Präsentation:Formeln umstellen
Beispiel:
Cooper-Test.
geg.: v=4m/s (Sehr guter Läufer)
t=12min=720s (Dauer des Tests)
ges.: s
Formel
s=v·t=4
Beispiel:
s
|⋅t
t
v⋅t =s
v=
m
m
⋅720 s=2880 s
s
s
Karate-Schlag
geg.: v=4m/s (Geschwindigkeit der Faust)
s=120cm=1,2m (Schlaglänge)
ges.: t
s
t
Formel: v⋅t=s
s
t=
v
v=
|⋅t
| :v
s 1,2 m
t= =
=0,3 s
v 4 m/s
Merke:
So schreibt man eine Aufgabe auf:
geg.: t,v
(Welche Größen hat man, schreibe in Grundeinheiten)
ges.: s
(Was ist gesucht)
v=
s
t
Grundformel
m
s=v⋅t=3 ⋅5 s=15 m
s
Erst umstellen dann Werte einsetzen
Wichtig: Jede „Zahl“ hat eine Einheit dahinter
Aufgaben:
Arbeitsblatt Geschwindigkeit
2.2 Bewegungen in Schaubildern darstellen
Versuch:
Ein Spielzeug (Auto,Roboter,Zug) bewegt sich mit konstanter
Geschwindigkeit über den Tisch. In gleichen Zeitabständen wird eine
Markierung gemacht.
s in cm
0
19,5
30
56
69
87,5
t in s
0
2
4
6
8
10
Aufgabe:
s in cm
Erstelle ein s-t-Diagramm (t auf der x-Achse)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
t in s
Diskussion:
•
Wie sieht ein schnellere Waagen im Diagramm aus?
•
Wie sieht ein Waagen aus, der nach 5s stehen bleibt?
•
Wie sieht ein Wagen aus, der nach 5s zurück fährt?
Aufgabe:
Austeilen
Der Gepard
t in s
0
0,4
0,58
1,01
2,4
s in m
0
12
18
30,5
71
s und t sind zueinander proportional
v in m/s
-
30
31
30,2
29,6
t in s
0
0,5
1
2
2,5
s in m
20
30
39
60
72
v ist (nahezu) konstant
Das Zebra
Merke:
Bei einer gleichförmigen bzw. konstanten Bewegung ist die
Geschwindigkeit v konstant. Strecke s und Zeit t nehmen proportional
zueinander zu.
Aufgabe:
Erstelle ein s-t Diagramm für den Geparden
Aufgabe:
Wir Zeichnen nun das Zebra ein. Beim Beginn der Jagd hat es 20m
Vorsprung, daher ist die Gerade um 20m nach oben verschoben
Gepard jagt Zebra
80
s in m
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
t in s
Nach ca. 2,2s hat der Gepard (blau) das Zebra (rot) eingeholt
Staffellauf
Die drei Läufer bekomme die Aufgabe
Staffellauf
s in m
Versuch:
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
t in s
80
100
120
Runden
0
1 (Huckepack)
2 (Sprint)
3 (Frosch)
t in s
0
25
39
97
s in m
0
56
112
168
Aufgabe:
Geschwindigkeit Huckepack:
s 57 m
m
v= =
=1,83
t 31 s
s
Geschwindigkeit Sprint:
v=
Δ s 114 m−57 m
m
=
=3,56
Δt
47−31 s
s
Geschwindigkeit Rückwärts:
v=
Δ s 171 m−114 m
m
=
=2,71
Δt
68−47 s
s
Merke:
Um die Geschwindigkeit auf einem Teilabschnitt zu bestimmen, wird
nur die dort vergangene Zeit ∆t und nur die dort gelaufene Strecke ∆s
betrachtet:
Es gilt: v =
z.B.
Δs
Δt
Δ s=80 m−40 m=40 m
Δ t=27,2 s−10,4 s=16,8 s
v=
Δ s 40 m
m
=
=2,38
Δ t 16,8 s
s
Aufgabe:
0
20
50
120
180
Zug1 s in m
0
0
300
1500
1700
500
0
0
•
Wie lange ist jeder Zug im Bahnhof
und wann fahren sie aneinander
vorbei?
•
Wann fahren die Züge jeweils am
schnellsten. Berechne die jeweiligen
Höchstgeschwindigkeiten
s in m
Zug2 s in m 1700
1500
• Zeichne ein gemeinsames s-tDiagramm
3 6 9 12 15 18
0 00 00 00 00 00 00
Zeit t in s
0
Δ s 1200 m
m
=
=17,1
Lösung: Zug 1: v =
Δ t 70 s
s
Lösung: Zug 2: v =
Δ s 1000 m
m
=
=33,3
Δ t 30 s
s
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
t in s
Simulation:
Bewegung und Geschwindigkeit
Schüler-Stunde PC:
Arbeitsblatt Simulation Bewegung und Geschwindigkeit
HAufgabe:
Matthias ist spät dran und muss auf den Bus: Er rennt durchs Haus:
4s lang mit v=3m/s. Er rennt die Straße runter: ½ min mit v=4m/s. Die
letzten 10 Sekunden gemütlich mit v=2m/s.
a)Welche Strecke ist es bis zur Bushaltestelle gelaufen.
b)Zeichne ein s-t-Diagramm, dass den Verlauf der Bewegung zeigt.
Lösung
2.3 Der Impuls
Die Frage:
Wer kann wen stoppen?
Der berühmteste Rugbyspieler Jonah Lomu wog
m=125kg und konnte s=100m in t=10,8s laufen.
Warum ist Gewicht und Geschwindigkeit beides gut?
Merke:
Damit ein Körper einen großen Impuls p (Merke:Impuls=Wucht) hat,
braucht er eine hohe Geschwindigkeit v aber auch eine große Masse
m.
Berechne: p=m·v
Einheit [kg·m/s]
Beispiel:
Jonah Lomu: v= s/t=100m/10,8s=9,26m/s
geg.: v,m
ges.: p
p=m·v=125kg·9,26m/s=1160kg·m/s
7-Klässler
p=m·v=40kg·5m/s=200 kg·m/s
Aufgabe:
a)Berechne deinen Impuls p aus deiner Masse m und deiner
Geschwindigkeit v.
b)Wie viele 7-Klässler müssten gleichzeitig gegen Jonah Lomu
springen um ihn zu stoppen?
Rugby der Tiere:
Tier
v
m
p
Elefant
8m/s
5000kg
40000kg m/s
Nilpferd
12m/s
2000kg
24000kg m/s
Löwe
22,5m/s
200kg
4500kg·m/s
Giraffe
25m/s
1200kg
30000kg·m/s
Zebra
20m/s
700kg
14000kg·m/s
Fragen:
Wie viele Löwen braucht es um einen Elefanten zu stoppen?
Teile die Tiere in zwei faire Rugby-Teams ein.
Aufgaben:
Arbeite mit → geg.: → ges.: und stelle die Formel um.
a) Ein Orka wiegt m=8000kg und hat einen Impuls von p=68000kg·m/s.
Wie schnell schwimmt er?
b) Ein Schimpanse legt in t=5s eine Strecke von s=12,5m zurück. Sein
Impuls ist p=100kg·m/s. Was wiegt der Schimpanse?
Aufgabe:
Vektor-Pfeile: Die Länge sagt wie viel
Fahrbahn (advanced) Vektoren beobachten.
Versuche:
Fahrbahn
Hier lässt sich evtl. eine Schüler-Stunde mit Simulation erstellen.
Was passiert mit dem Impuls p eines Körpers, wenn er einen anderen
Stößt?
Hier sauber einen Sachverhalt herausarbeiten. Zu viele gemischte
Versuche (elastisch/unelastisch/verschiedene Massen) führen zu
Verwirrung.
Austeilen:
Impuls p entspricht Pfeillänge
Vorher
Nachher
Stoß mit Knete (Inelastisch)
p
p
p
p
p
p
Stoß mit Feder (elastisch)
p
p
Merke:
Ein Körper kann bei einem Stoß seinen Impuls auf einen andern
übertragen. Die Summe der Impulse bleibt aber erhalten.
Ohne Stoß und Reibung behält ein Körper seinen Impuls (Gleiten).
Bei einem elastischen Stoß prallen die Partner voneinander ab.
Bei einem inelastischen Stoß kleben die Partner aneinander
Aufgabe:
Schreibe je eine Sport-Situation mit einem elastischen/inelastischen
Stoß auf.
Aufgabe:
Du wirfst einen Sack Katzenstreu in einen stehenden Einkaufswagen.
Handelt es sich um einen elastischen oder inelastischen Stoß?
Versuche die Situation in Vorher/Nachher Bildern mit Impulspfeilen zu
zeichnen.
Aufgabe:
Zwei Rugby-Spieler (gleicher Impuls)laufen frontal aufeinander zu,
rammen sich und bleiben so genau stehen (inelastischer Stoß).
Müssen sie gleich schwer gewesen sein?
Film:
Schmerzhafte Impulsübergabe
Klarstellen: Beim Bremsen gibt ein Körper Impuls an den Untergrund
ab
2.4 Kräfte
Folie:
Kräfte erkennen
Versuch 1:
Wer:
Auf wen:
Wirkung:
Person
Gewicht
Gewicht bleibt oben
Wer:
Auf wen:
Wirkung:
Person1
Ball
Ball wird beschleunigt
Wer:
Auf wen:
Wirkung:
Person2
Ball
Ball wird abgebremst
10kg
Versuch 2:
Ball
EisenKugel
Versuch 3:
Wer:
Auf wen:
Der Magnet
Eisenkugel
Magnet
Wirkung:
Eisenkugel ändert Richtung
Merke:
Kräfte können:
•
Massen halten
•
Objekte beschleunigen, bremsen oder ablenken
•
Objekte verformen (quetschen oder zerreißen)
Aufgabe:
Schreibe in einen Satz über ein Beispiel aus dem Alltag, bei dem...
a) ...eine Kraft ein Gewicht hält
b) ...eine Kraft ein Objekt beschleunigt oder bremst
c) ...eine Kraft ein Objekt verformt
d) …eine Kraft ein Objekt ablenkt (Richtung ändert)
Schreibe immer dazu WER die Kraft ausübt
2.5 Kräfte messen und einzeichnen
Merke:
Direkt austeilen
Kräfte werden mit F bezeichnet (F wie „Force“). Kräfte werden in der
Einheit Newton gemessen. Also z.B.: F=4,2N
Zum Messen verwenden wir einen Kraftmesser. F in N: 3 2 1
Versuch/Beispiel:
Anstelle des Kraftmessers zeichnet man aber nur einen roten KraftPfeil. Dieser klärt „Wo greift die Kraft an“,
„Richtung“
N
und „Stärke“
2
Schiefe Ebene
5,
=
N
2
F
F=
Schüler-Versuch:
Erstelle eine Skizze und trage deine Kraft-Messung ein, indem du den
Kraftpfeil einzeichnest und beschriftest.
Wähle eine Maßstab: 1cm→ ?? N
a) Körper wird hochgehalten
b) Körper wird gleichmäßig über den Tisch gezogen
c) Körper wird eine schiefe Bahn hoch gezogen
d)...Für schnelle….Kraft zum zerreißen von Papier.
2.6 Kräftegleichgewicht
Austeilen:
Kräftegleichgewicht
F1
F2
F1=F2:
Kräftegleichgewicht: Markierung ruht
FWeste
FTisch
1kg
F
FBleigurt
1kg
FFeder
Markierung bewegt sich nach links
FMann
F1>F2:
F
F
Merke:
Ruht ein Gegenstand, ist er im Kräftegleichgewicht F 1=F2
Beschleunigt ein Körper, ist er nicht im Kräftegleichgewicht
Aufgabe:
a)Erstelle eine Skizze einer Situation, bei der auf von dir
ausgedachtes Objekt eine Kraft F1 nach oben und eine Kraft F2 nach
unten wirkt.
b)Erstelle eine Skizze einer Situation, bei der auf von dir
ausgedachtes Objekt eine Kraft F1 nach links und eine Kraft F2 nach
rechts wirkt.
Versuch:
(Magnetbrett)
F in N: 3 2 1
F in N: 3 2 1
2 4 61 810 F in N:
F in N: 3 2 1
10
81
42
F in N:
2 4 61 810
4
81
0
1
2
Merke:
Wirken Kräfte in parallele Richtungen, so darf man die Werte
addieren und subtrahieren.
Mündlich:
Entscheide ob sich die Gesamtkraft auf den Körper bestimmen lässt.
a)
10N
10N
9N
12N
b)
10N
10N
14N
12N
8N
17N
12,
3N
12
, 3N
c)
Simulation:
12N
8N
8N
12,
3N
Kräftegleichgewicht und Ungleichgewicht
2.7 Kraft und Gegenkraft
Versuch:
Zwei Schüler auf Skateboards
Versuch:
Die küssenden Schweine
Schwein A hat einen Motor und zieht die Schweine zusammen. Es
lässt sich jedoch nicht erkennen, welches Schwein Schwein A ist, da
die Kraft von A auf B gleich der Kraft von B auf A zu sein scheint.
A
Versuch:
F B auf A
F A auf B
B
Kraftmesser an Kraftmesser
Elly
Fnoah auf Elly
=20N
F Elly auf Noah
=20N
Noah
FM auf E
FE auf M
Mond
Tafel:
Erde
Merke:
•
Welches Phänomen zeigt, dass auch der Mond die Erde anzieht?
•
Die Wirkung der Kräfte ist nicht „anziehen“ sondern
„umlenken/ablenken“. Erde und Mond umkreisen sich gegenseitig!
Übt ein Körper A eine Kraft auf B aus (Actio), so erfolgt automatisch
und gleichzeitig, dass auch Körper B auf A eine gleichstarke Kraft
ausübt (Reactio)
Actio=Reactio
Bem.:
Der Unterschied zwischen „Kräftegleichgewicht“ und „Kraft und
Gegenkraft“
•
„Kraft und Gegenkraft“ beinhaltet zwei Körper
•
Im „Kräftegleichgewicht“ gibt es keine Beschleunigung, die
beiden Körper von „Kraft und Gegenkraft“ können
beschleunigen.
2.8 Kraft dehnt eine Feder
Versuch:
Δs
Verglichen wird die Verlängerung Δs einer Feder, wenn man
mit der Kraft F zieht.
F
Beispiel:
Kraft dehnt eine Stahlfeder
0
5
10
15
20
25
F in N
0
1,5
2,9
4,6
5,8
7,5
F in N
Δs in cm
große Stahlfeder
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
Schülerversuch:
5
10
15
s in cm
20
25
30
Feder, Kraftmesser, Geodreiecke
a)Erstelle selbstständig eine Messtabelle mithilfe einer Stahlfeder und
einem Kraftmesser. Teile dir die Tabelle sinnvoll ein.
b) Erstelle ein Koordinatensystem mit Δs und F. Zeichne die Punkte
ein und erstelle eine Ausgleichsgerade (Mit dem Geodreieck quer
durch alle Punkte)
c)Welche Kraft bräuchte man für Δs=1m?
Das Nennt man Federhärte: D=....N/m
Für Schnelle: Zeichne die Messungen einer zweiten Feder ins
Koordinatensystem hinzu.
Merke:
Hooksches Gesetz:
Kraft F und Ausdehnung Δs sind bei einer Feder proportional.
Aufgaben:
Es gilt
F=D·Δs
Beispiel:
F=D·Δs =15
D heißt Federhärte [D]=N/m
N
⋅0,2 m=3 N
m
Aufgaben HooksGesetz
7c
2.9 Die Gewichtskraft
Tafel:
(Austeilen: Bild)
•
Je größer die Masse m desto größer die
Gewichtskraft FG.
•
Wie rechnet eine Waage die Kraft F G in die
Masse m um?
Versuch:
200g
F
•
100g
F
Eine Kraft, die ein Körper aufgrund seiner
Masse m ausübt, nennt man Gewichtskraft FG.
Waage
Waage
Messungen mit Waage und Kraftmesser
Ding (max2kg)
Nichts
Vesper
Buch
Flasche
Heft
m in kg
0
0,46
0,8
0,2
FG in N
0
5,5
9,8
2,3
a)Wähle verschiedene Objekte aus deinem Schulranzen aus.
Bestimme mit der Waage die Masse m und mit dem Kraftmesser die
Gewichtskraft FG. Die Massen sollten zwischen 0kg und 2kg verteilt
liegen.
b)Zeichne ein F-m-Koordinatensystem
c)Welche Gewichtskraft F verursacht m=1kg? 1Kg → ….N
12
10
F in N
8
6
4
2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
7a
m in kg
Merke:
Masse und Gewichtskraft FG sind proportional zueinander. Grob gilt
100g → FG=1N
200g → FG=2N
… 1kg → FG=10N
Exakt gilt: 1kg → FG=9,81N
Tafel:
Verschiedene Beispiele zu Gewichtskräften. Evtl. die Formel F=m·9,81
entwickeln.
2.10 Gewichtskraft und Ortsfaktor
Film:
Futurama
Aufgaben:
Gewichtskraft AB
200g
200g
5N
2N
→ Die gleichen Dinge
(Kissen/Mensch) erfahren auf Stambos4 eine größere Gewichtskraft
weil sie stärker angezogen werden.
→ Auf der Erde ist der Ortsfaktor ca g=10N/kg auf Stambos4 ist der
Ortsfaktor g=25N/kg
Aufgabe:
Fülle die Tabelle aus.
Erde
Stambos4
Masse 1kg
Weltall
1,61N
Mensch 70kg
Kissen 200g
Mond
0N
2N
5N
Mars
Erde
(exakt)
3,72N
9,81N
Klären:
Masse ist eigentlich nichts was die Waage dir anzeigt, sondern
vielmehr so etwas wie die Summe aller Muskel-Teilchen,
Wasserteilchen, Fettteilchen im Körper.
7b
Merke:
Masse m und Gewichtskraft F sind proportional zueinander. Mit dem
Ortsfaktor g kann man die Masse m in die Gewichtskraft F
umrechnen.
FG =m∙ g
Aufgabe1:
Beispiel:
FG =m∙ g=2 kg ∙ 9,81
N
=19,6 N
kg
Auf dem Planeten Stambos4
geg.: m=80kg, g=25N/kg
ges.: FG
Aufgabe 2:
Auf dem Mars
geg.: m=80kg, FG=304N
ges.: g
Aufgabe 3:
Ein dünnes Stahlseil hält 4000N aus. Auf dem Saturn ist der Ortsfaktor
g=11,1N/kg. Wie viele Stahlseile werden benötigt um eine Masse von
5t aufzuhängen?
Lösung A1 A2 A3
Arbeitsblatt:
Ortsfaktor
2.11 Reibungskraft
Folie:
Oberflächen unter dem Mikroskop
•
Jede Fläche ist ein wenig rau
•
Bewegen sich zwei Flächen aufeinander, spricht
man von Gleitreibung Fgl
•
Liegen zwei Flächen aufeinander, so verzahnen
sich kleinste Zacken. Die Haftreibung Fhhält Dinge
an ihrem Ort.
•
Bei Rollreibung Fro lösen dich die Zacken
besonders gut.
•
Eine Kraft F, die in Richtung der Geschwindigkeit
v geht, beschleunigt eine Körper.
•
Das die Gleitreibung Fgl einen Körper bremst,
muss sie entgegen der Geschwindigkeit v
wirken.
Haftre
ibung
Rollreibung
F
Fgl
v
v
•
Reibung bremst, wirkt also entgegen der Bewegungsrichtung.
Versuch:
Messung von Reibungskraft
Ziel:
Verhältnis zwischen Gewichtskraft F eines Körpers, und der Kraft F gl
die benötigt wird, um ihn zu ziehen.
Versuchsaufbau:
Fgl
123 F in N:
v
Messungen:
Holzkörper auf Tischplatte:
Masse des Körpers in kg:
0,0735
Gewichtskraft des Körpers F:
0,735
Gleitreibungskraft Fgl in N:
Verhältnis Fgl / F:
0,136
Mäppchen auf Tischplatte;
Masse des Körpers in kg:
Gewichtskraft des Körpers F:
Gleitreibungskraft Fgl in N:
Verhältnis Fgl / F:
Messungen:
0,32
0,28
0,23
Belade den Holzkörper mit zusätzlicher Masse, um Gewichtskraft F
und Reibungskraft Fgl zu verändern.
Masse m in kg
Gewichtskraft F
Gleitreibungskraft Fgl
Verhältnis Fgl/F
Ergebnis:
Merke:
Es wird stets ein Anteil der Gewichtskraft F benötigt, um einen Körper
zu ziehen. Dieser Anteil heißt „Gleitreibungskoeffizient“ f gl und hängt
von der Oberfläche des Körpers und der Oberfläche des Untergrunds
ab. Die Reibungskraft Fgl berechnet sich:
Fgl=
fgl·F
Ebenso gilt: Fha=fha·F
Versuch:
Messung fgl von Schuhen auf dem
Boden
Fro=fro·F
Fgl
oder
Messung fro, wenn Schüler auf Physikwagen gezogen wird.
ges.: fgl/fro
Aufgaben:
Arbeitsblatt
PC-Raum:
Phet Simulation Kräfte und Bewegungen
Arbeitsauftrag zur Simulation
2.12 Dichte
Einführung:
(Krone aus Aluminum basten)
Vor über 2.000 Jahren erhielt ein Wissenschaftler namens Archimedes
einen kniffligen Auftrag. König Hieron II. von Syrakus bat ihn
herauszufinden, ob seine Krone tatsächlich aus purem Gold bestand,
ober ob die nicht heimlich Silber beigemischt hatten
Aufgabe:
Wie kann man das Prüfen ohne die Krone zu beschädigen?
Tafel:
Lösung
Man bestimmt exakt die Masse m der Krone, man bestimmt im
Wasserbad das Volumen V der Krone und schaut ob das Verhältnis
m/V zu Gold passt.
Material
Gold
Silber
Krone
Dichteρ
19,3g/cm³
11,5g/cm³
15,4g/cm³
Merke:
Das Verhältnis aus Masse m zu Volumen V eines Gegenstandes
charakterisiert sein Material. Man spricht von der Dichte ρ
ρ= m/V Beispiel:
ρ=21g/2cm³=11,5 g/cm³ (Silber)
Beispiel1:
Schwamm:
geg:
a=16cm b=10cm c=5cm → V=800cm³ und m=18g
ges:
ρ
m
18 g
g
ρ= =
=0,0225 3
V 800 cm3
cm
Beispiel2:
Glas hat eine Dichte von ρ=2,5g/cm³. Welche Masse m hat ein
Trinkglas mit dem Volumen V=72cm³.
geg: ρ=2,5g/cm² und V=72cm²
ges: m
m
| ⋅V
V
ρ⋅V =m
g
m=ρ⋅V =2,5 3⋅72 cm3 =180 g
cm
ρ=
Schülerversuch:
Was hat die größere Dichte Stahl oder Stein?
Lösung: Stein:2,4-3 g/cm³
Aufgaben:
Stahl: 7,8g/cm³
Arbeitsblatt Dichte
Uwes Aufgabenblatt:Lösungswolke:
0,075cm³(7) 77,2kg(2) 46,7m(10) 2,4g(5) 12,7g/cm³ bzw 13g/cm³(4) 14,3g(6) 0,0624N(5)
2,69g/cm³(6) 2,67g/cm³(3) 10,5t(9) 1,06g/cm³(11)
2.13 Auftrieb
Einstieg:
1 Schulstunde lang Bootsbau aus vorgegeben Materialien. Zunächst
muss ein im Heft Plan gezeigt werden, dann gibt es Material:
Tragkraft:
Aluminum
m=400g
Papier
F=4N
Versuch1:
FAuf
FGes FAuf
Einkaufsmarke oder Weintraube sinkt in Wasser aber
schwimmt in Salzwasser.
Erklärung:
+Salz
FG
FGes FG
Salzwasser ist dichter als normales
Wasser, daher gibt es dort mehr Auftieb
Merke:
Ist ein Körper (im Durchschnitt) weniger dicht als die Flüssigkeit,
schwimmt er aufgrund der Auftriebskraft
Versuch2:
Rosinen in Sprudel: Sie beginnen zu schwimmen und wieder zu
sinken. (Film mit Pfefferkörnern)
Erklärung:
Mit Luftblasen ist der Körper (im Durchschnitt) leichter als Wasser. An
der Oberfläche verschwinden die Luftblasen und er sinkt wieder.
Ding
Schiff=
Rosinen
Stahl+Luft +Luft
Dichte ρ 0,4
in g/cm ³
0,95
Holz
Wasser
Stein U-Boot=
Stahl+Luft
Rosinen
0,7
1
2,8
1,4
1,1
Wie berechnet man
Auftrieb:
Ein gewichtsloser Quader
verdrängt das Volumen an
Wasser:
V
Fauf
Tafel:
V
=a·b·c
=1000cm³
Er verdrängt damit Wasser der Masse m:
m
=V·ρ
=1000cm³·1g/cm³=1000g
Merke:
Verdrängt ein Körper ein Volumen V an Flüssigkeit. So wirkt auf ihn
die Auftriebskraft Fauf. FAuf ist dabei die Gewichtskraft FG die die
verdrängte Flüssigkeit hätte.
m=1000g =1kg → Fauf=10N
→ 1kg verdrängte Flüssigkeit gibt 10N Auftrieb.
Aufgabe:
a)Gegeben ist ein Holz-Quader mit a=10cm b=5cm
c=5cm. Berechne wie viel Auftriebskraft Fauf der
Körper erhält wenn er komplett unter Wasser ist.
b)Der Holz-Quader hat eine Dichte von ρ=0,8g/cm³. Berechne die
Gewichtskraft FG.
c)Zeichne den Quader und die beiden Kräfte F auf und FG in dein Heft.
Die Kräfte werden als Pfeile dargestellt (richtige Länge wählen).
d)Wie viel Masse m kann man noch oben auf den Quader legen,
damit er gerade noch so schwimmt?
Film:
Eisenkugel schwimmt in Quecksilber
Aufgabe:
a)Eine Kanonenkugel hat den Radius r=5cm. Berechne
4 3
das Kugelvolumen V = π r
3
b)Welche Auftriebskraft Fauf hat die Kugel wenn sie ganz
in Quecksilber ρ=13,6 g/cm³ untertaucht.
c)Welche Gewichtskraft FG hat die Kanonenkugel? Eisen:ρ=7,9 g/cm³
Film:
Aluminium-Schiff schwimmt in Gas
3 Energie
Motivation:
HV-Transformator
Tafel:
Dinge aus dem Alltag, die mit Energie zu tun haben
Energiebegriffe ordnen nach: Bewegungsenergie, Lageenergie, Chemische Energie,
Elektrische Energie Wärmeenergie
Bewegungsenergie muss von anderen Energieformen kommen.
Film:
Energie Einführung
3.1 Energieformen
Aufgaben:
•
Kinetische Energie (Bewegungsenergie)
•
Potentielle Energie (Lageenergie)
•
Chemische Energie (Nahrung, Benzin, Dynamit)
•
Strahlungsenergie (Licht)
•
Elektrische Energie
•
Thermische Energie (Wärme)
•
Kernenergie
Energieformen
Merke:
Ist etwas in Bewegung hat es kinetische Energie.
Kann etwas potentiell herunterfallen, hat es potentielle Energie.
3.2 Energiewandler
Energiewandler:Auto
?
Energiewandler:WindKraftwerk
KinetischeEnergie
Energiewandler:Skater auf der
Rampe
?
?
ElektrischeEnergie
Energiewandler:Kohlekraftwerk
KinetischeEnergie
?
Elektrische
Energie
Aufgabe:
Energiewandler:
•
Chemische Energie → Potentielle Energie
Energiewandler:
•
Elektrische Energie → Kinetische Energie
Energiewandler:
•
Kinetische Energie → Potentielle Energie
Energiewandler:
•
Elektrische Energie → Thermische Energie
Merke:
- In Autos, Kraftwerken, Menschen,..(Energiewandler) wird eine
Energieform in eine andere umgewandelt.
- Dabei geht die Energie aber nicht verloren!
Haufgabe:
Welche Energieumwandlungen finden bei den folgenden
Energiewandlern statt: Föhn; Zug; Windkraftwerk; Kohlekraftwerk.
Schreibe dies mit Pfeilen auf.
Haufgabe:
Finde zwei verschiedene Vorgänge, bei denen Energie drei Formen
durchläuft, beschreibe sie und zeichne das „Energieschema mit
Pfeilen“
3.3 Energieentwertung
Versuch:
Fahrradbremse erzeugt Wärmeenergie (Klasse kurbelt)
Versuch:
Pendel wird bis zum Kinn gezogen.
Beobachtung:
Das Pendel schwingt immer langsamer.
e
ch
Erklärung:
Auch beim Pendel gibt es Reibung.
Energie wird in Thermische Energie
umgewandelt
.E
.E
.E
m
m
r
r
m
he
he
er
T
T
h
T
PotentielleE
PotE
KinetiescheE
Chemische E
E
is
m
r
e
Th
Kinetische E
Potentielle E
Th
.E
m
r
e
KinE
Th
.E
m
r
e
PotE
Merke:
- Überall wo es zu Reibung kommt wird Energie in Wärmeenergie
umgewandelt
- Diese Energie ist nicht verloren, wohl aber entwertet, da man sie
kaum mehr weiter verwanden kann.
Aufgabe:
HAufgabe:
Beschreibe je einen Prozess bei dem es zu wenig und einen bei dem
es zu viel Energieentwertung kommt.
Welche Geräte/Maschinen die du kennst, werden warm, obwohl sie es
eigentliche nicht sollten (Diese entwertet spürbar die ihnen zugefügte
Energie). Nenne drei Beispiele und schätze wie viel Prozent der
Energie durch Wärme entwertet werden
3.4 Energie berechnen
Einstieg:
Folie Energie und Arbeit messen.
Arbeitsblatt:
Arbeit Messen
Merke:
Abgegebene oder aufgenommene Energie W kann man messen.
Wird ein Körper mit der Kraft F um die Strecke s bewegt, so lässt sich
die Energie bestimmen:
W= F·s
z.B. W= F·s=10N·2,3m=23Nm=23J
Aufgaben:
Versuch:
Schülerversuch:
Mäppchen mit Kraftmesser über Tisch ziehen
Skizze:
Messung:
F=____N
s=____m
Rechnung:
W=
Ergebnis:
_____________________________________________
Zusatzfrage:
Zieh dein Mäppchen so üben Tisch, dass du genau W=1J überträgst.
Notiere die Kraft F und die Strecke s
Versuch2:
Fahrradfahrer wird gezogen
Skizze:
Messung:
F≈____N
s=____m
Rechnung:
W=
Ergebnis:
_________________________________________
Zusatz:
Welche Energie benötigt man etwa für 5km radfahren?
________________________________________________________
Hausaufgaben:
1.Einem Wagenheber wird die Energie W=1600J zugeführt. Das Auto
wird mit einer Kraft von F=8000N eine Strecke s nach oben gedrückt.
Berechne s. (Zusatz: Wie schwer war das Auto?)
2.Bei einem Ruderschlag wirkt die Kraft
F=400N entlang der Strecke s1=1,3m
s1
F
(Schlaglänge). Das Boot fährt dabei aber die Stecke s2=4,2m
(Fahrtlänge). Berechne die Arbeit W bei einem Ruderschlag. Welche
Stecke (s1 oder s2)muss man wählen?
3.5 Höhenenergie
Aufgabe:
Du ziehst einen Eimer (5kg) einen 10m Brunnenschacht hoch. Wie
viel Arbeit W musst du verrichten?
„Die Kraft F im Seil ist genau die Gewichtskraft
des Eimers.
F=49N
G
h
G=m·g=5kg·9,81N/kg=49N
G=49N
W=F·s
=G·h=49N·10m=490J
Merke:
Geht es um Höhenenergie muss die Gewichtskraft G des gehobenen
Gegenstandes berechnet werden. G=m·g
Dann kann die Höhenenergie Wh bestimmen, die der Gegenstand
gewinnt wenn er um h gehoben wird: Wh=G·h
Es gibt auch eine Schnellformel: Wh=m·g·h
Aufgabe:
Ein Bergsteiger (80+25kg) steigt vom Basislager 5300m auf die Spitze
des Mount Everest 8848m
Aufgabe:
Wie viel Chemische Energie musst du (m=?kg) in Höhenenergie
umwandeln um eine 3m Treppe hochzusteigen?
Versuch:
Berechne wie viel Energie du bei einem Sprung umwandeln kannst
(Skizze-Messung-Rechnug-Antwort)
Für Schnelle: Wie hoch hättest du mit dieser Energie auf Mond g=1,62N/kg
springen können?
Problem:
Welche Höhe muss man für die Höhenenergie des Herzes wählen?
Lösung:
h3
h2
h1
Man darf sich selbst einen „Boden“=Nullniveau wählen, der für das
Experiment sinnvoll ist
Aufgabe:
Ein Kran hebt eine 3,5 Tonnen Schwere Kiste von
dem 3 Meter hohen Dock auf einen 25m hohen
Ozeanriesen.
a)Ein Stahlseil hält F=200kN Zug aus. Wie oft muss
man es nehmen, damit es die Gewichtskraft der
Last trägt?
b)Zeichne in das Bild ein geeignetes Nullniveau ein.
c)Welche Arbeit Wh verrichtet der Kran
Aufgabe:
Eine Tafel Schokolade hat die Energie W=2142kJ. Herr Amrein wiegt 80kg.
a) Berechne die Gewichtskraft von Herrn Amrein.
b) Welche Höhe h könnte Herr Amrein beim Bergsteigen mit dierser Energie
erklimmen?
c) Wieviel % einer Tafel Schokolade müsste Herr Amrein für die Höhe
h=1000m erklimmen?
d)Ein echter Bergsteiger bracht natürlich viel mehr Energie als eine Tafel
Schokolade. Was geschieht (immer) mit einem Großteil der Energie beim
Bergsteigen?
3.6 Leistung
Alltag:
Einsteigsfolie
Herr A korrigiert 60DVAs in 6,5 Stunden
Herr B korrigiert 40DVAs in 4 Stunden und 15min.
Wer hat mehr gearbeitet? Wer ist „Leistungsfähiger“?
Physik:
Eine Springbrunnen-Pumpe A leistet die Energie W=2100J in t=21s
Eine Springbrunnen-Pumpe B leistet die Energie W=3400J in t=33s
Die Pumpe A leistet die Energie 100W pro Sekunde. B leistet mehr.
W
J
J
=210
s=100 =100 W B:
t
21
s
W 3400J
J
P= =
=103 =103W
t
33s
s
A:
P=
Merke:
Leistung P macht eine Aussage darüber wie viel Energie W pro Zeit t
verrichtet wird.
Man rechnet:
Beispiel: P=
P=
W
t
W 140 J
=
=7 W (Watt)
t
20 s
Vorsicht:
W (Energie) Größe für Energie ↔ W (Watt) Einheit der Leistung
Info:
Ein altes Maß für Leistung ist PS. 1PS=735W 1000W=1,35PS
Aufgabe:
(austeilen)
a)
Ein Auto erreicht eine Bewegungsenergie W=450.000J in einer
Zeit t=6s. Berechne die Leistung P in Kilowatt und in PS
(75kW=102PS)
b)
Ein Fahrradfahrer hat die Leitung P=170W. Er strampelt t=18s
lang. Wie viel Energie W hat er verbraucht? (3060J)
c)
Ein Auto hat die (durchschnittliche) Leitung P=40 kW es fährt 3
Minuten von Sigmaringen nach Laiz. Wie viel Energie W ist
verbraucht? (7.200.000J)
d)
Ein Auto der Masse m=700kg fährt eine steilen Berg (h=120m)
hinauf und braucht dafür t=8s. Ortsfaktor g=9,81N/kg (103kW)
e)
Ein Leichtathlet (m=80kg) überspringt h=2,20m. Seinen
Schwerpunkt (Hüfte) muss er dazu jedoch nur um 1,20 anheben. Dies
gelingt ihm in ca. t=0,4s. Berechne die Leistung in Watt und PS.
(P=2350W=3,2PS)
Versuch:
Material: Gewichtsstück Kraftmesser
Aufgabe 1: Ziehe das Gewichtsstück 1,5m gleichmäßig über den
Tisch. Ließ die Kraft F ab und bestimme die Zeit t, die der Versuch
dauerte. Berechne dann die Energie W und die Leistung P in dem
Versuch.
Skizze:
Messungen:
Rechnung/Auswertung:
Aufgabe 2: Hebe das Gewichtsstück mit dem Kraftmesser vom
Fußboden auf den Tisch. Ließ die Kraft F ab und bestimme die Zeit t,
die der Versuch dauerte. Berechne dann die Energie W und die
Leistung P in dem Versuch.
Skizze:
Messung:
Rechnung/Auswertung:
Versuch:
Wie viel PS hast du (kurzzeitig)
Eine Treppe hoch rennen, Zeit messen.
Skizze (G,m,h,t) - Messung: m,h,t – Rechnung: G → W h → P → P in
PS