Impulse Physik 7/8 - Ernst Klett Verlag
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Impulse Physik 7/8 Lösungen zum Schülerband Neubearbeitung von Wilhelm Bredthauer Klaus Gerd Bruns Manfred Grote Harald Köhncke Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig 1. Auflage, 2008 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Die Vervielfältigung der Vorlagen für den eigenen Unterrichtsgebrauch ist gestattet; die Kopiergebühren sind abgegolten. Jede Nutzung in anderen als dem zuvor beschriebenen Fall bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2008. Alle Rechte vorbehalten. Internetadresse: http://www.klett.de ISBN: 978-3-12-772448-? Inhaltsverzeichnis Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Gesetze des Stromkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Zusammenwirken von Kräften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Energie Aufgaben S. 11 Wasser im Stausee fließt ab. Energie wird abgegeben. Energie geht über A1 Turbine dreht sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Generator dreht sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Elektromotor dreht sich. Energie Energie geht wird aufgeüber nommen und abgegeben. Bohrer dreht sich, erwärmt sich. Energie Energie wird geht über aufgenommen und abgegeben. Holzstück wird verformt und erwärmt sich. Energie wird aufgenommen. Anmerkung: Spezifische Energiebegriffe stehen zu diesem Zeitpunkt noch nicht zur Verfügung. Der Kontakt mit der Umwelt wird hier nicht berücksichtigt. A2 Beispielhafte Stichworte: Elektrischer Wecker (wecken), Licht (sehen), Radio (sich unterhalten und informieren), Toaster, Wasserkocher, Eierkocher (Speisen bereiten), Kühlschrank (Speisen aufbewahren), Heizung (steuern und regeln), usw. Verzicht kaum vorstellbar. Aufgaben S. 12 A1 Energie des elektrischen Stromes Energiewandler Lampe Energie des Sonnenlichtes A2 Aufgaben S. 13 Energie des gespannten Gummis Energiewandler Energie des Sonnenlichtes Energiewandler Energie Solarzelle Energie des elektrischen Stromes A1 EH 4 Gummiband Energie des bewegten Wagens Energiewandler Wasserfall EB EB Energiewandler Rammbock ES Aufgaben S. 13 ES Ech Ech Aufgaben S. 14 Energiewandler Bogen Energiewandler Batterie Energiewandler Rakete EB EB Eel ELicht EH EKern Energiewandler Bremsscheibe Energiewandler Pflanzenblatt Energiewandler Kernkraftwerk Einnere Ech Einnere A1 Einschätzung des Plakates individuell. Anforderungen i. W. erfüllt, wenn Überschrift eingefügt. Überschrift: Der Kreislauf des Wassers. Wasser auf der Erde wird durch Sonneneinstrahlung verdunstet ⇒ Wolken werden gebildet ⇒ mit dem Niederschlag gelangt Wasser wieder auf die Erde ⇒ von höher gelegenen Bereichen fließt es ab ins Meer ⇒ mit der Verdunstung beginnt der Kreislauf erneut. A2 Individuelle Schülerlösungen A3 Individuelle Schülerlösungen A4 Weil Kohle und Öl aus Pflanzen bzw. Tieren entstehen, die Sonnenlicht zum Leben benötigen, ist die Argumentation nicht tragfähig und die Sonne erweist sich in der Tat als wichtigste Energiequelle. Aufgaben S. 15 A1 In den Wandler hineinführender Pfeil und herausführender Pfeil sind gleich breit. A2 Auch bei leuchtender Lampe bewegt sich das Gewichtsstück, wenn auch langsam. Am Ausgang sind also zwei Pfeile notwendig, einer für ELicht und einer für EB. Sie sind zusammen so breit wie der Eingangspfeil EH. Weil man an ELicht interessiert ist, sollt EB so klein wie möglich sein. Aufgaben S. 16 A1 a) Doppelte Höhe beim gleichen Ring bzw. gleiche Höhe bei zwei Ringen weisen auf doppelte Höhenenergie hin. Entsprechend liegt die doppelte Spannenergie vor. b) Aus dem Vergleich mit der Tafel Schokolade folgt: Die Höhenenergie und entsprechend die Spannenergie beträgt 1 J. Aufgaben S. 17 A1 Individuelle Schülerlösungen Aufgaben S. 18 A1 a) Alle Werte beziehen sich auf 100 g Landbrot 867 kJ Schlagsahne 1 207 kJ Weichkäse, 10 % Fett 761 kJ Müsli 1 420 kJ Joghurt 0,1 % Fett 371 kJ Steaksauce 505 kJ Margarine 2 780 kJ Milch 1,5 % Fett 199 kJ Marmelade 750 kJ Speiseöl 3 405 kJ b) Eine Scheibe Brot: ca. 45 g, 1 Teelöffel Butter: ca. 5 g, eine Scheibe Käse: ca. 30 g. Dementsprechend ergibt sich mit Tabelle B3 auf Seite 18 des Schülerbuches: E = 405 kJ + 155 kJ + 90 kJ = 650 kJ Energie 5 Aufgaben S. 18 c) Ein 100-g-Schnitzel hat eine Energie von 1000 kJ (Schülerbuch, S.18 B3). Für eine Minute Joggen benötigt man 50 kJ (Schülerbuch, S.18 B5). Man kann also 20 Minuten joggen. A2 Die Energie muss vom Körper bereit gestellt werden. Offenbar ist empfundene Anstrengung nicht alleine von der Energie abhängig, sondern auch von der Zeit, innerhalb der sie bereitgestellt werden muss. Aufgaben S. 19 A1 Bei einem Stundenlohn von 8 ¤ entsprechen 10 Energiediener nach Schülerbuch, S.19 B4 80 ¤/h. Bei einer Programmdauer von etwa 1,5 h ergibt das 120 ¤ für eine Wäsche. Bei 18 ct/kwh und dem Bedarf von 0,85 kWh ergibt sich 15,3 ct für eine Wäsche. A2 Die Angabe bedeutet, dass 45 kJ zur Verfügung stehen, wenn 1 g Benzin verbrannt wird. Die Zeit für einen Energiediener ergibt sich aus 45 000 J _ J = 750 s = 12,5 min. 60 _s Aufgaben S. 21 A1 Fahrenheitskala: unterer Fixpunkt: Kältemischung (Eis, Wasser, Salmiak): 0 °F oberer Fixpunkt: Körpertemperatur Mensch: 96 °F Reaumur: Fixpunkte wie Celsius, aber oberer Fispunkt 80 ° Reaumur Aufgaben S. 23 A1 Im Schülerband, S. 23, B2 wird deutlich, dass von einem Körper mit hoher Temperatur solange Energie auf einen Körper mit niedriger Temperatur übergeht, bis beide die gleiche Temperatur haben. In B5 hat das Metallstück eine höhere Temperatur als das umgebende Wasser. Es gibt deswegen Energie ab, die Pfeile zeigen es an. In B6 haben Metall und umgebendes Wasser die gleich Temperatur, es findet keine Energieübertragung mehr statt. A2 Auf der Seite wird erläutert, dass sich gleiche Mengen verschiedener Stoffe bei gleicher Energiezufuhr unterschiedlich erwärmen. Dieser Fall liegt hier vor. B3 zeigt, dass Wasser im Vergleich zu anderen Stoffen viel Energie braucht, um seine Temperatur um ein Grad zu steigern. Bei gleicher Energiezufuhr ist deswegen die Temperatur von Sand sehr viel mehr gestiegen als die von Wasser. Aufgaben S. 24 A1 Gehobenes Gewichtsstück Höhenenergie wird abgegeben Aufgaben S. 25 EH Gewichtsstück EB EH Generator Eel Lampe ELicht A1 Eel Energiewandler Glühlampe ELicht Einnere Eel Energiewandler Energiesparlampe ELicht Einnere Begründung: Offenbar wandeln beide Lampen unterschiedliche Anteile der zugeführten elektrischen Energie in Lichtenergie um. Man kann das fühlen, denn die Glühlampe wird im Betrieb sehr heiß. D. h. neben Lichtenergie wird elektrische Energie in innere Energie umgewandelt. Für die gleiche Lichtenergie muss deswegen mehr elektrische Energie aufgewandt werden. 6 Energie Aufgaben S. 26 A1 Schülerband, S. 26 B3 zeigt, wie beim Jo-Jo Höhenenergie in Bewegungsenergie und diese wieder in Höhenenergie umgewandelt wird. Wenn dabei keine andere Energieform auftritt, kann der Prozess ohne Ende weiter gehen. Energie wird nicht entwertet. B4 zeigt, dass Höhenenergie vollständig in innere Energie umgewandelt wird. Diese kann nur eingeschränkt in andere Energieformen umgewandelt werden. Hier wird also Energie entwertet. Aufgaben S. 27 A1 Das rechte Bild muss ganz nach links. Dabei wird angenommen, dass bei jedem Auftreffen ein Teil der Energie in innere Energie umgewandelt wird, die für den weiteren Prozess nicht mehr verfügbar ist. A2 Die Behauptung ist richtig: Es würden folgende Energieumwandlungen stattfinden: Von links nach rechts: ES ⇒ EB ⇒ EH Von rechts nach links: EH ⇒ EB ⇒ ES Rückblick S. 28 B1 Es geht hier um Energieentwertung, also Umwandlung in innere Energie, die Bei Umgebungstemperatur vorliegt. B2 Höhenenergiedes Wassers ⇒ Bewegungsenergie des Wassers (und innere Energie); Bewegungsenergie der Hochspringerin ⇒ Spannenergie des Stabes ⇒ Höhenenergie der Hochspringerin (und innere Energie); Bewegungsenergie der Luft ⇒ Bewegungsenergie des Windrades/ Generators ⇒ elektrische Energie (und innere Energie); Höhenenergie der Schaukel ⇒ Bewegungsenergie der Schaukel ⇒ Höhenenergie der Schaukel ⇒ … (und innere Energie) beim reinen Ausschaukeln bzw. chemische Energie der Nahrung ⇒ Bewegungsenergie der Muskeln ⇒ Bewegungsenergie der Schaukel ⇒ …(und innere Energie) beim aktiven Schaukeln B3 ELicht Stausee Turbine EH EB Generator Eel Lampe Einnere B4 Widerspruch zum Prinzip der Energieerhaltung B5 Beide Lampen leuchten gleich hell, d.h. der Anteil der Lichtenergie ist gleich. Die Glühlampe wird dabei aber deutlich wärmer; sie wandelt also mehr elektrische Energie in innere Energie um. Heimversuche S. 29 1 Die schiefe Ebene Das Spielzeugauto läuft auf der horizontalen Unterlage aus und bleibt schließlich stehen, weil die Bewegungsenergie des Autos in innere Energie (des Autos, der Luft, der Unterlage) umgewandelt wird. Die Bewegungsenergie erhält das Auto durch Umwandlung von Höhenenergie. Je höher die Rampe ist, desto mehr Höhenenergie hat das Auto am Start und desto mehr Bewegungsenergie hat das Auto am Fuß der Rampe, und desto mehr muss in innere Energie umgewandelt werden bis das Auto steht. Also: je höher die Rampe, desto weiter rollt das Auto. 2 Die Linealschleuder Radiergummi steigt auf Lineal entspannt sich Lineal gibt Energie ab Radiergummi ES nimmt Energie auf Radiergummi fällt wieder Radiergummi EB wandelt Energie um Radiergummi schlägt auf Radiergummi EH gibt Energie ab Umgebung Einnere nimmt Energie auf Energie 7 Aufgaben S. 29 Energieformen 1 Aufgestautes Wasser treibt Turbinen, hochgezogene Massenstücke treiben Pendel und Zeiger einer Uhr, ein gehobener Rammbock treibt Pfähle in die Erde. 2 Mit einer gespannten Feder kann man etwas bewegen (Spielzeugauto) oder hochheben (Trampolin). 3 In der gespannten Feder steckt Spannenergie; beim Entspannen nimmt diese ab und wird z. T. auf den Körper des Frosches übertragen und dabei in Bewegungsenergie umgewandelt. Da der Körper gleichzeitig gehoben wird, erfolgt auch Umwandlung in Höhenenergie. Im dritten Bild erkennt man, dass auch die Feder und der Fuß gehoben werden. Die Umwandlung der Bewegungsenergie erfolgt nun direkt in Höhenenergie. Im höchsten Punkt ist die gesamte Spannenergie (zum Teil direkt, zum Teil über den „Umweg“ Bewegungsenergie) in Höhenenergie umgewandelt. ES EB EH ES EB EH ES EB EH 4 Herr Sparfuchs hat recht, wenn er vom Prinzip der Energieerhaltung spricht. Wenn er Energie nutzt, wird sie nur umgewandelt, z. B. wenn er mit einem Fahrstuhl einige Stockwerke hoch fährt. Diese Höhenenergie steht aber dem „Lieferanten“ der elektrischen Energie nicht zur Verfügung. Außerdem wird bei den allermeisten Nutzungen Energie entwertet, weil ein Teil in innere Energie umgewandelt wird. Schließlich muss ein Energieversorgungsunternehmen auch die Vorrichtungen zur Energienutzung bereithalten, z. B. die Versorgungsleitungen für elektrische Energie. Herr Sparfuchs muss also zahlen. Aufgaben S. 30 5 Die Energie der Sonne wird in mehreren Schritten in Bewegungsenergie der Luft umgewandelt. Zunächst wird die Energie des Sonnenlichtes in den Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie treibt den Elektromotor bzw. die Achse mit dem Propeller an. Der Elektromotor wandelt also elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Der Propeller erzeugt einen Luftstrom, überträgt also die Bewegungsenergie von der Achse auf die Luft. 6 Diagramm 1 beschreibt eher die Übertragung der Energie von der Quelle auf die Lampe. Diagramm 2 beschreibt eher den Umwandlungsprozess, z. B. in der Lampe von elektrischer Energie in Lichtenergie. Batterie Elektrische Energie Lampe Energieübertragung 8 Energie Aufgaben S. 30 Ech Eel Batterie Eel Energieumwandlung Lampe ELicht Energieumwandlung 7 a) Im Zähler steht immer die Einheit kJ für Energie, im Nenner die Einheit einer Größe, die eine Menge des jeweiligen Stoffes beschreibt. Die Maßzahl gibt die Energie an, die bei Verbrennung jeweils einer Mengeneinheit zur Verfügung steht. b) Man braucht 0,012 kg Steinkohle, 0,023 kg Brennholz, 0,010 ® Heizöl, 0,011 m3 Erdgas. 8 Energiestromdiagramm: h maximal v=0 A E h=0 v maximal B D C A B C D E 9 a) Es wird genau so viel Energie zugeführt wie abgeführt, die Temperatur des Körpers ändert sich nicht. b) Es wird mehr Energie zugeführt als abgeführt. Die Temperatur des Körpers steigt. c) Es wird mehr Energie abgeführt als zugeführt. Die Temperatur des Körpers fällt. Bei der Deutung wurde die Pfeilbreite als Energie pro Zeit interpretiert. 10 Eel Energiewandler Glühlampe ELicht Einnere Eel Energiewandler Energiesparlampe ELicht Einnere Man kann mit der Energiesparlampe sparen, weil ein größerer Teil der elektrischen Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. D. h., für einen bestimmten Bedarf an Lichtenergie wird weniger elektrische Energie benötigt. 11 Beispiele zur Umschreibung von Höhenenergie: Tritt bei der Achterbahn auf und ist maximal, wenn der Wagen am langsamsten ist; wird genutzt, wenn Wasser aus einem Stausee eine Turbine betreibt, die wiederum einen Generator antreibt, der schließlich Energie als elektrische Energie bereitstellt. 12 Helle Gebiete sind beispielsweise die südliche Hälfte von England, die Niederlande, Belgien, das Ruhrgebiet, die Poebene, Paris, Berlin, Madrid, Rom und Neapel, Athen; also v. a. Ballungsräume, Industriezentren und Großstädte mit ihrer „konzentrierten“ nächtlichen Beleuchtung. In Ländern wie Belgien sind zusätzlich die Autobahnen beleuchtet. Erleuchtet sind auch touristisch geprägte Küstenstreifen oder sog. „Offshore“-Anlagen in der offenen See (Bohrinseln usw.) Die dunklen Gebiete sind dünn besiedelt oder haben eine geringe Infrastruktur Energie 9 Elektrischer Strom Aufgaben S. 34 A1 EH Energiewandler Energiewandler Eel Generator ELicht Glühlampe Einnere Aufgaben S. 36 A1 Laufraddynamo: Der Laufraddynamo ist mit seinem Gehäuse leitend mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden. Eine leitende Verbindung besteht auch vom Gewinde der Glühlampen des Scheinwerfers und des Rücklichts über die Lampensockel zum Fahrradrahmen. Damit besteht bereits eine Leitung vom Dynamo zu den beiden Lampen. Es genügt je ein Kabel von der Kontaktschraube am Dynamo zum Fußkontakt der beiden Glühlampen, um die beiden Stromkreise zu schließen. Nabendynamo: Der Nabendynamo ist nicht leitend mit dem Fahrradrahmen verbunden. Von ihm führt daher eine Doppelleitung zum Scheinwerfer und von dort eine Doppelleitung zum Rücklicht. Mit einem Schalter am Scheinwerfer wird der Stromkreis geschlossen. Aufgaben S. 37 A1 G Aufgaben S. 38 Laufraddynamo Scheinwerferlampe Rücklicht G Nabendynamo Scheinwerferlampe Rücklicht A1 Station V: Die Solarzelle Geräte: Solarmodul mit einer Nennspannung von 2V, 2 Kabel, 1 rote Leuchtdiode, 2 Krokodilklemmen 1. Schließe die Leuchtdiode über die beiden Kabel und die Krokodilklemmen an die Kontakte des Solarmoduls an. 2. Richte das Solarmodul zur Sonne. Vertausche gegebenenfalls die Polung der Leuchtdiode. 3. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energieübertragung. Vorschlag für weitere Lernstation: Station VI: Das Peltiermodul Geräte: Peltiermodul mit 2 Aluminimwürfeln, 2 Kabel, Elektromotor mit Ventilator, Becherglas mit heißem Wasser, 2 Thermometer 1. Lege ein Peltiermodul auf einen Aluminiumwürfel und miss seine Temperatur. Erhitze einen zweiten Aluminiumwürfel in einem Wasserbad auf eine Temperatur von etwa 50 °C. 2. Schließe einen Elektromotor mit Propeller an das Modul an. 3. Setze den erhitzten Aluminiumwürfel auf das Modul auf 4. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energieübertragung. 10 Elektrischer Strom Aufgaben S. 39 A1 – Bewegungsenergie des Fahrrades wird im Dynamo in elektrische Energie umgewandelt. – Chemische Energie der Kohle erhöht die innere Energie des Wassers. Diese wird in Bewegungsenergie des Wasserdampfes gewandelt und auf die Turbine übertragen. Die Turbine überträgt die Bewegungsenergie auf den Generator, der sie in elektrische Energie umwandelt. – Bewegungsenergie der Luft wird über Windrag und Generator in elektrische Energie umgewandelt. A2 a) Bei offenen Anschlüssen muss wenig Energie aufgewendet werden, die Bewegungsenergie beim Kurbeln wird lediglich in innere Energie des Generator mit Kurbel umgewandelt. b) Bei angeschlossener Glühlampe muss aus der Bewegungsenergie beim Kurbeln zusätzlich noch Energie des Lichts und innere Energie der Glühlampe bereitgestellt werden. Das erfordert mehr Energie als bei offenen Anschlüssen, vermutlich wird die Person deshalb langsamer kurbeln oder nach kurzer Zeit aufhören zu kurbeln. Aufgaben S. 41 A1 Geräte: Netzgerät, 2 Kabel, Glasgefäß, 1 Stativ, 2 Stativklemmen, 2 Stativmuffen Chemikalien: Silberblech, Löffel aus unedlem Metall, Silberniträt-Lösung (10 %) Durchführung: Der Versuch wird nach der unten abgebildeten Skizze aufgebaut. Man gibt die Silbernitrat-Lösung in das Glasgefäß. Mithilfe der Stativklemmen werden die Elektroden befestigt, so dass sie in die Lösung eintauchen. Das Silberblech wird als Anode, der Löffel als Kathode geschaltet. Die angelegte Spannung beträgt etwa 2 Volt. Prinzipskizze Kathode Anode (Silber) zu versilbernder Gegenstand Ag Ag + Ag Silbernitratlösung A2 Schaltung Chemische Wirkung Magnetische Wirkung Wärmewirkung ¯ Chemische Wirkung: – In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist das Knallgasvolumen V proportional zur Zeit t. Der Quotient V/t ist daher konstant. – Der Quotient V/t ist umso größer, je stärker der Strom ist. Der Quotient V/t ist daher ein Maß für die Stromstärke. Elektrischer Strom 11 Aufgaben S. 41 Magnetische Wirkung: – In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die magnetische Wirkung konstant, d. h., der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist konstant – Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist umso größer, je stärker der Strom ist. Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist daher ein Maß für die Stromstärke. Wärmewirkung: – In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die Temperaturerhöhung eines metallischen Leiters konstant. – Die Temperaturerhöhung ist umso größer, je stärker der Strom ist. Die Temperaturerhöhung (genauer die thermische Ausdehnung) eines metallischen Leiters ist daher ein Maß für die Stromstärke. Aufgaben S. 42 A1 Reibt man verschiedene schlecht leitende Stoffe aneinander, so trennt man elektrische Ladung. Ein Beispiel dafür ist das Gehen in Schuhen mit Gummisohlen auf Teppichboden. In trockener Luft, die in Hochdruckwetterlagen auftritt, bleibt die getrennte Ladung bestehen. Beim Berühren der Türklinke spürt man dann die unangenehme Entladung des Körpers. A2 Bei Berührung der Experimentierkugel mit einem Pol der elektrische Quelle besteht Strom, elektrische Ladung hat sich vom Pol zur Kugel bewegt. Die Glimmlampe, die anschließend von der Kugel berührt wird, zeigt die von der Kugel abfließende Ladung an, denn sie leuchtet auf. Es hat sich Ladung von einem Pol der elektrischen Quelle über die Glimmlampe zum anderen Pol bewegt. Der unterbrochene Stromkreis kann mit der bewegten Experimentierkugel kurzzeitig geschlossen werden. Aufgaben S. 43 A1 Vor dem Reiben des Kunststoffstabes an einem Tuch enthalten sowohl Stab als auch Tuch gleich viele Elektronen wie positive Ladung. Beim Reiben bewegen sich Elektronen aus dem Tuch auf die Oberfläche des Stabes. Er ist nun negativ geladen. Das Tuch ist positiv geladen, da Elektronen fehlen. A2 Elektrischer Strom in Metallen bedeutet, dass sich Elektronen im Leiter bewegen. Positive Ladung im Leiter ist ortsfest. Elektronen treten vom Minuspol über die Klemme in den Leiter ein und verlassen ihn über die zweite Klemme in Richtung Pluspol. Aufgaben S. 46 A1 Haushaltsgerät Toaster Wasserkocher Glühlampe Leuchtstofflampe LED Mixgerät Lautsprecher Elektrische Zahnbürste Rasierapparat Fernsehapparat Aufgaben S. 47 12 Elektrischer Strom Wirkungen Vor allem Wärmewirkung Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung Vor allem Lichtwirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung (bei Röhrengeräten auch magnetische Wirkung) A1 3 A = 3 000 mA; 0,15 A = 150 mA; 0,08 A = 80 mA 1 500 mA = 1,5 A; 270 mA = 0,27 A; 50 mA = 0,05 A Aufgaben S. 49 A1 Motor im (in der) DVD-Laufwerk Drucker Folienschweißgerät Föhn Elektrische Zahnbürste Rasierapparat Uhr Küchenmaschine/Mixer Waschmaschine Energiekette Elektrische Energie ⇒ (Elektromotor) ⇒ Bewegungsenergie und innere Energie s. o. s. o. s. o. s. o. s. o. s. o. s. o. s. o. Geschirrspülmaschine s. o. A2 es gilt: 1 W min = 60 W s = 60 J Rückblick S. 50 Gerät Taschenrechner Taschenlampe Fahrradlampen Rasierapparat Leistung 0,0005 W 0,9 W 3 W 10 W Energie in 10 min 0,005 Wmin 9 Wmin 30 Wmin 100 Wmin Anzahl Schokoladeneinheiten 0,3 540 1 800 6 000 Autofernlicht Farbfernseher Haartrockner Automotor-Anlasser Bügeleiesen Waschmaschine Elektroherd, 4 Platten Elektrolokomotive ICE, 2 Triebköpfe Generator im Kraftwerk 60 W 110 W 600 W 1 000 W 1 200 W 3 500 W 7 400 W 7 000 kW 9 600 kW 70 000 kW 600 Wmin 1 100 Wmin 6 000 Wmin 10 000 Wmin 12 000 Wmin 35 000 Wmin 74 000 Wmin 70 000 kWmin 96 000 kWmin 700 000 kWmin 36 000 66 000 360 000 600 000 720 000 2 100 000 4 400 000 4 200 000 000 5 760 000 000 42 000 000 000 B1 Durch das reiben des Pullovers an den Haaren wird Ladung getrennt. Das Knistern zeigt Entladevorgänge an. B2 Lichtenergie (Sonne) ⇒ elektrische Energie (Solarzelle) ⇒ Bewegungsenergie (Motor) B3 Durch Reiben wurde die (positiv) Folie geladen. Innerhalb der Haare wird negative Ladung zur Folie hin verschoben. Die Haare werden daher von der Folie angezogen. B4 Der Strom kommt vom Generator des Kraftwerks über den Fahrdraht zum Motor des Zuges. Über die Schiene (Erde) wird der Stromkreis zum Generator, der ebenfalls geerdet ist, geschlossen. B5 Das Messgerät zeigt einen Strom an, d. h., es liegt ein geschlossener Stromkreis (Batterie – Lampe – Junge – Mädchen – Messgerät – Batterie) vor. Der menschliche Körper ist also ein elektrischer Leiter. B6 Die elektrische Leitung wird geschieht durch Transport von Ladung. Der Versuch zeigt: Die violette Lösung (Kaliumpermanganat) bewegt sich zum Pluspol, ist also negativ geladen, während sich die blaue Lösung (Kupfersulfat) zum Minuspol bewegt, also positiv geladen ist. Elektrischer Strom 13 Heimversuche S. 51 1 Der schwimmende Kompass Die beiden Metalle und die salzlösung bilden eine elektrische Quelle. Der Strom in der Spule ruft ein Magnetfeld hervor. Das schwimmende Brettchen mit der Spule ist also ein Magent, der sich im Magnetfeld der Erde ausrichtet. Es ist darauf zu achten, dass die Oberflächen der Leiter in der Salzlösung sauber sind. das mit dem nagel verbundene Ende des Kupferdrahtes darf nicht mit der Salzlösung in berührung kommen. Statt einer Salzlösung eignet sich auch verdünnte Zitronensäure. 2 Das Lametta-Elektroskop Wird der Nagel geladen, so verteilt sich die Ladung über den Nagel und die Alufäden. Die Alufäden sind somit gleichartig geladen und stoßen sich gegenseitig ab. 3 Elektrische Energie wird gezählt Individuelle Schülerlösung 4 Wie viel kostet 1 kW h? Individuelle Schülerlösung Aufgaben S. 52 Strom und Energie 1 Elektrische Quelle Batterie Dynamo Kraftwerk (Steckdose) Solarzelle Elektrische Geräte Fahrradlampe; ggf. Ventilator Fahrradlampe Elektroherd, Küchengerät, Ventilator ggf. Ventilator 2 Draht, Kabel oder Metallband von einem Pol der Batterie über Schalter zum Lampengewinde, durch die Lampe zum Lampensockel und zurück zur Batterie. 3 Bei Fahrrädern mit Laufraddynamo schließt der Fahrradrahmen den Stromkreis. 4 a) Die Ummantelung der Kabel dient Personen als Berührungsschutz und als Schutz vor Kurzschluss über Nachbarkabel bzw. vor schädlichen Umwelteinflüssen. b) Berührungsschutz ist nicht erforderlich. Vor Kurzschluss zwischen den Leitungen schützen die Luft und Keramikkörper an den Strommasten. 5 Leitend: Fuß und Gewinde der Lampe und der Ständer des Glühdrahts sind dicke Leiter; der Glühdraht ist wesentlich dünner. Nichtleitend: Glashülle, Birnensockel, Kitt und Glasfüllung. 6 Durch Nässe steigt die Leitfähigkeit der Haut. Unerwünschte Ströme durch den K ­ örper können stärker und somit gefährlicher werden. Energieübertragung im Stromkreis 7 a) b) Eel Steckdose 14 Elektrischer Strom Küchengerät Energiewandler EB Elektromotor Einnere Aufgaben S. 52 Wirkungen des elektrischen Stromes 8 a) Chemische Wirkung, Wärmewirkung, magnetische Wirkung, Lichtwirkung sind die Wirkungen des Stroms. b) Ein Galvanisiergerät nutzt die chemische Wirkung des Stromes. c) Nutzung der Wärmewirkung: Toaster, elektrischer Durchlauferhitzer, Wasserkocher, Elektroherd, Babyflaschenwärmer, … Strom und Ladung 9 Die geladene CD übt Kräfte auf die Ladung der Papierstücke aus. Ist die CD positiv geladen, so wird negative Ladung des Papiers etwas zur CD hin verschoben. Folglich erscheint das Papier aus Richtung der CD wie ein negativ geladenes Papier. Es wird von der CD angezogen, berührt die CD, lädt sich dabei positiv auf und wird anschließend abgestoßen, weil es nun gleichnamige Ladung trägt. Das Papier fällt auf den Tisch, entlädt sich dabei. Der Vorgang wiederholt sich, bis die CD so weit entladen ist, das seine Anziehungskraft nicht mehr ausreicht, die CD zu heben. 10 Alle drei Stoffe tragen dieselbe Ladungsart. Elektrische Stromstärke 11 Elektrische Ladung wird erst durch (einheitliche) Bewegung zum elektrischen Strom. (Analogie Luft–Wind: Was macht der Wind wenn er nicht weht?) 12 Die Stromstärke Ø, in A gemessen, gibt an, wie viele Elektronen je Sekunde an einem Mess­ punkt vorbeifließen. Jedes Elektron trägt eine sehr geringe elektrische Ladung. Je länger ein Strom besteht, desto mehr Ladung wird transportiert. Die Angabe 50 Ah auf der Batterie bedeutet z. B., dass im Stromkreis mit der Batterie 1 Stunde lang ein Strom von 50 A bestehen kann oder 5 Stunden lang eine Strom von 10 Ampere usw. Dabei wird die Ladung 50 Ah transportiert. 13 Gong, Klingel, elektrischer Türöffner, Geräte mit Elektromotor (Mixer, Staubsauger, Waschmaschine), etc. Elektrische Energie, Energiestromstärke 14 Die Energiestromstärke ergibt sich aus der Energie, die pro Zeiteinheit übertragen oder umgewandelt wird. In der Technik wird für die Energiestromstärke der Begriff Leistung verwendet. 15 Die Aussage ist nicht allgemeingültig. Bei gleicher Leistung bzw. gleichem Energiestrom besteht in verschiedenen Stromkreisen verschiedene Stromstärke, wenn die Spannung in den Stromkreisen verschieden ist. 16 Man schließt die Heizspirale an eine elektrische Quelle an. Man misst die Spannung der elektrischen Quelle mit einem Voltmeter und den in der Heizspirale umgewandelten Energiestrom mit einem Energiestrommessgerät. 17 a) Man benötigt 4,2 kJ = 4 200J, um 1 ® Wasser um 1 °C zu erwärmen, Der Wasserkocher leistet 2 000 W = 2 000 J/s, er benötigt 4 200 J _ = 2,1 s, um 1 ® Wasser um 1 °C zu erwärmen. J 2 000 _s Beträgt die Temperaturerhöhung 80 °C, so dauert die Erwärmung auch 80mal so lang, also 2,1 · 80 s = 168 s, wenn man Energieströme in die Umgebung vernachlässigen kann. b) Die Aufschrift des Gerätes zeigt die Lösung: P = 2 000 W = 2 000 J/s. Insgesamt werden also E = 2000 J/s · 168 s = 336 kJ = 0,93 kW h umgewandelt. Elektrischer Strom 15 Aufgaben S. 52 18 Die Verringerung des Energiestroms beträgt 85 W. Energieeinsparung: Eel = P · t = 85 W · 4 h · 365 = 124 100 Wh = 124,1 kWh Die Ersparnis beträgt 124,1 kWh · 0,12 €/kWh = 14,89 €. 19 „Leistungsstarke Geräte“ bedeutet Geräte hoher elektrischer Leistung, das bedeutet bei vorgegebener Spannung eine hohe Stromstärke. Wegen des elektrischen Widerstandes der Zuleitung wird elektrische Energie in innere Energie des Zuleitungsmaterials umgewandelt. Das führt zu einer Temperaturerhöhung der Zuleitung. Durch Abrollen der Leitung kann eine Überhitzung durch fehlende Energieableitung vermieden werden. 16 Elektrischer Strom Gesetze des Stromkreises Aufgaben S. 54 A1 Gerät Fahrradlampe Handy Taschencomputer Erforderliche Spannung 6 V 5,3 V 6 V A2 Die Deutsche Bahn betreibt Elektroloks mit einer Spannung von 15 000 V. Aufgaben S. 56 A1 Das Auseinanderziehen der entgegengesetzt geladenen Platten erfordert Energie. Die Energie der Ladung nimmt dabei zu, was das hellere Leuchten der LED anzeigt. Beim Veringern des Plattenabstandes nimmt die Energie der Ladung ab, ein weniger helles Aufleuchten der LED ist zu beobachten, wenn der Stromkreis geschlossen wird. Aufgaben S. 58 A1 U in V ¯ in V 1 0,2 2 0,39 3 0,61 4 0,85 5 1,15 6 1,45 7 1,82 R in Ω 5 5,13 4,92 4,7 4,35 4,14 3,85 A2 Eisendraht in Wasser Konstantan ¯ = 0,36 A/V · U ¯ = 0,12 A/V · U Aufgaben S. 59 A1 In Wasser bleibt die Temperatur des Eisendrahts bei Strom unterschiedlicher Stärke konstant. Daher verändert sich der Widerstand des Drahtes nicht. Stromstärke und Spannung sind unter diesen Bedingungen proportional zueinander, das Ohm‘sche Gesetz gilt. Aufgaben S. 63 A1 ¯ = U / (R1 + R2) = 10 V / (100 Ω + 200 Ω) = 0,033 A = 33 mA Aufgaben S. 65 A1 Aufgaben S. 66 A1 Die Geräte werden durch die Schmelzsicherung (Hauptsicherungskasten) und die Wohnungssicherungen geschützt. A2 Die Geräte können bei Parallelschaltung unabhängig ein- und ausgeschaltet werden. Bei Parallelschaltung werden alle Geräte mit gleicher Spannung versorgt. Damit ist ein beliebiges Austauschen von Haushaltsgeräten möglich. Gesetze des Stromkreises 17 Rückblick S. 68 B1 Es handelt sich um ein Vielfachmessgerät, also u. a. die Spannung, die Stromstärke und der Widerstand, d. h. als Volt-, Ampere- und Ohmmeter. B2 Da, wo der Fuß des Vogels den Draht berührt, verzweigt sich zwar der Stromkreis, aber die Stromstärke im Vogel ist bei weitem geringer als im Draht: ¯Draht h ¯Vogel , sodass keine Gefahr für den Vogel besteht. B3 Offensichtlich sind die Energiestromstärken in beiden Lampen gleich. Da die elektrische Energie bzw. die Energiestromstärke auch von der angelegten Spannung abhängt, kann man schließen, dass in den beiden Stromkreisen neben den unterschiedlichen Stromstärken auch unterschiedliche Spannungen vorliegen. B4 Die Äpfel sind in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Spannungen addieren. B5 Oben: Reihenschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 3 ·1,5 V = 4,5 V. Unten: Parallelschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 1,5 V. B6 Widerstände. Die Farbringe geben an, welchen Widerstandswert die einzelenen Bauteile haben. Heimversuche S. 69 1 Der sanfte Lichtschalter Schiebewiderstand und Glühlampe bilden eine Reihenschaltung. Mit diesem Spannungsteiler kann die Spannung für das Glühlämpchen reguliert werden. 2 Ein Feuermelder Wird der Eisendraht erhitzt, so nimmt sein Widerstand zu und das Lämpchen wird dunkler. 3 Ein elektrischer Kraftmesser Durch den unterschiedlichen Druck auf die Schachtel ändert sich die Packungsdichte und damit die Berührungsflächen der Kohlekörnchen. Dadurch wirkt die Schachtel als druckabhängiger, veränderlicher Widerstand. Gegebenenfalss kann auf Parallelen zum Kohlekörnermikrofon hingewiesen werden. Aufgaben S. 69 Spannung 1 Das Spannungsmessgerät muss parallel zu den beiden Messpunkten geschaltet werden. 2 a) gleichsinnig: 1,5 V + 1,5 V = 3 V b) gegensinnig: 1,5 V + (– 1,5 V) = 0 V 3 – alle einzeln: 1,5 V und 9,0 V – zweimal 1,5 V gleichsinnig in Reihe: 3,0 V – 1,5 V und 9,0 V gleichsinnig in Reihe: 10,5 V – alle gleichsinnig in Reihe: 12,0 V – bei gegensinniger Reihenschaltung: 0 V; 6 V; 7,5 V; 9,0 V – Parallelschaltung von zweimal 1,5 V: 1,5 V – Parallelschaltung der 9,0 V und 1,5 V führt zur Entladung der 9,0‑V-Batterie über 1,5‑V-Batterie. Widerstand und Kennlinie 4 Der Widerstand des Leiters sagt etwas über den elektrischen Strom aus, der dann besteht, wenn eine bestimmte Spannung anliegt. Entsteht in einem Leiter bei der Spannung U die Stromstärke Ø , dann heißt der Quotient U/Ø ­Widerstand R. Aufgaben S. 70 18 5 ¯ * = 2 U/2 R = U/R = ¯; die Stromstärke bleibt unverändert. Gesetze des Stromkreises Aufgaben S. 70 6 a) Schaltung mit einem Messgerät für die Spannung parallel zum Leiter und einem Messgerät für die Stromstärke in Reihe. Spannung variieren, U und ¯ mehrfach messen und jeweils R = U/¯ berechnen. Mittelwert berechnen. b) Wie in Teilaufgabe a mit großen Unterschieden bei U und ¯. Bleibt R = U/¯ konstant, so gilt in dem untersuchten Bereich das Ohm’sche Gesetz. 7 a) Kennlinie mit abnehmender Steigung, oberhalb 1 V fast linear. b) Metalldraht. c) Bei 4,5 V ca. 0,30 A; 0,18 A erreicht man bei etwa 1,6 V. d) Zugehörige Widerstandswerte in Ð: 6,7; 10,0; 12; 14; 16; 17. Ø-R-Diagramm bis 0,25 A fast linear steigend mit ca. 65 Ð/A, dann deutlich abflachend. Der Widerstand kann bis 0,15 A nicht angegeben werden. U ¯ ¯ in A 0,4 0,3 0,2 0,1 0 U in V 0 1 2 3 4 5 6 8 a) Ø = U/R = 230 V / 3 000 Ð = 0,077 A = 77 mA (trocken: 7,7 mA) b) U = R · Ø = 3 000 Ð · 0,001 A = 3 V Hinweis: In der Praxis gelten Spannungen bis rund 30 V als ungefährlich. Erst oberhalb dieses Wertes müssen alle Leitungen berührungssicher sein. 9 U in V 20 35 91 45 Ø in A 0,29 0,50 1,3 0,64 Parallel- und Reihenschaltung 10 a) Reihenschaltung: Unterbricht man bei einem Gerät, arbeiten die anderen auch nicht mehr. Parallelschaltung: Die Geräte funktionieren weiter, wenn man eines abschaltet. b) Reihenschaltung: Stromstärke überall gleich ¯1 = ¯2 = … = ¯g Parallelschaltung: Einzelstromstärken addieren sich zur Gesamtstromstärke ¯1 + ¯2 + … = ¯g 11 a) ¯Lampe = ¯g / 25 = 2,5 A / 25 = 0,1A b) ¯Lampe = ¯g / x ⇔ x = ¯g / ¯Lampe = 40. Es können 15 gleiche Lampen hinzugeschaltet werden. 12 Der Widerstand R1 hat den kleinsten Wert der drei Bauteile. Viermal so groß ist der Widerstand R3 . Der Widerstand R2 ist ein Drittel des Widerstands R3 . R1 R2 R3 ¯1 ¯2 ¯3 Gesetze des Stromkreises 19 Aufgaben S. 70 13 a) Stromstärkemessgeräte werden in Reihe geschaltet. Dabei addieren sich die Widerstände. Um den Einfluss des Messgerätes möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Stromstärkemessgerätes möglichst klein sein. b) Spannungsmessgeräte werden parallel geschaltet. Dadurch besteht im Messgerät ein zusätzlicher Strom. Um diesen unerwünschten Strom möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Spannungsmessgerätes möglichst groß sein. 14 Die Geräte sind parallel geschaltet, damit man sie unabhängig voneinander in Betrieb nehmen kann. Wären alle Elektrogeräte im Haushalt in Reihe geschaltet, könnte man sie nicht unabhängig voneinander in Betrieb nehmen. Würde man eines ausschalten, gingen alle aus! Um eines zu betreiben, müsste man alle einschalten! 15 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für Ug und ¯g enthalten. R1 R2 U1 U2 Ug ¯g ¯1 ¯2 In der Parallelschaltung gilt: Ug = U1 = U2 ¯g = ¯1 + ¯2 (Knotenregel) Pg = P1 + P2 16 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für Ug und ¯g enthalten. ¯g Ug R1 R2 ¯1 U1 ¯2 U2 In der Reihenschaltung gilt: Ug = U1 + U2 RErsatz = R1 + R2 ¯g = ¯1 = ¯2 (Knotenregel) Pg = P1 + P2 17 Wenn das Bügeleisen kalt ist, hält die Rückholfeder den Schalter geschlossen. Der Stromkreis kann durch die Heizwendel ist geschlossen und das Bügeleisen wird heiß. Dadurch biegt sich der Bimetallstreifen nach unten, öffnet den Schalter und der Strom wird unterbrochen. Das Bügeleisen kühlt sich ab, der Bimetallstreifen biegt sich zurück und der Schalter wird wieder geschlossen. Das Bügeleisen wird wieder heiß, und so weiter. 18 In der Reihenschaltung ist die Stromstärke in beiden Widerständen gleichen: ¯g = ¯1 = ¯2. Die Spannung U2 = ¯g · R2 am Widerstand R2 ist doppelt so groß wie am Widerstand R1 (R2 =200 Ω und R1 = 100 Ω). Da sich in der Reihenschaltung der Energiestrom wie die Spannung auf die Widerstände verteilt, ist die Energiestromstärke zum Widerstand R2 doppelt so groß wie derjenige zum Widerstand R1. 20 Gesetze des Stromkreises Elektrische Energie Aufgaben S. 72 A1 Benötigte Geräte: Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse. Man bewegt den vor der Spule befindlichen Stabmagneten hin und her bzw. man dreht den vor der Spulen stehenden Stabmagneten und misst mithilfe eines Voltmeters die Spannung an den Enden der Spule. Es entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz derjenigen der Pendelbewegung bzw. der Drehfrequenz des Stabmagneten entspricht. Alternativ kann auch die Spule bewegt bzw. gedreht werden und der Stabmagnet fest stehen. a) b) A2 Benötigte Geräte: 2 Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse Möglichkeit 1: Siehe Aufgabe A1 Alternative. Möglichkeit 2: Anstelle des Stabmagneten wird eine stromführende Spule verwendet. A3 Man ersetzt die Ringe an den Schleifkontakten durch einen Ring mit zwei getrennten Hälften. Jede Ringhälfte wird mit einem Ende der Spule verlötet. Über die Achse verbunden, drehen sich die Kommutator genannten Ringhälften mit der Spule mit. Die Schleifkontakte müssen sich gerade in dem Moment auf den Isolierungen befinden, in dem die Pole des Ankers den Polen des Feldmagneten gegenüberstehen. So ist gewährleistet, dass die Ankerspule bei ihrer Weiterdrehung umgepolt wird. Das Ankerspulenende das sich vom Nordpol der Feldspule wegbewegt, ist stets mit dem gleichen elektrischen Pol verbunden. Aufgaben S. 74 A1 a) Es ergibt sich ungefähr die eingezeichnete Position des Leuchtpunktes. b) Die vertikalen Platten sind beide negativ, so dass der Strahl weder nach oben noch nach unten abgelenkt wird. Die Ladung der beiden horizontalen Platten bewirkt eine Ablenkung nach links aus Sicht eines Beobachters von vorn. Elektrische Energie 21 Aufgaben S. 75 A1 Die Drehgeschwindigkeit, die die rote Zeit-Spannungskurve bewirkt, ist gerade doppelt so groß wie die Vergleichsgeschwindigkeit, dargestellt durch die blaue Kurve. ¯ in A 2 1 0 U in V 0 1 2 3 4 5 6 7 –1 –2 Aufgaben S. 77 A1 – sämtliche Geräte im Haushalt, deren Betriebsspannung unterhalb der Netzspannung von 230 V liegt, z. B. Akku-Ladegeräte, Laptops, Drucker, Scanner, Halogen-Niedervoltlampen mit 12 V Betriebsspannung (eröffnet die Möglichkeit offener Leitungen) – viele Geräte haben dazu integrierte Transformatoren – „Trenntrafos“ gegen „Brummschleifen“ beim Anschluss von Computern an Stereoanlagen – F¯-Schutzschalter – Hochspannungs-Überlandleitungen mit hochtransformierter Übertragsunsspannung Aufgaben S. 79 A1 Die Übertragungsverluste in Fernleitungen kann man dadurch klein halten, dass man Hochspannung verwendet. Beim Hochtransformieren der Spannung am Generator verkleinert sich die zugehörige Stromstärke, die Energiestromstärke bleibt nahezu gleich. Da die Stärke des Stroms für die (unerwünschte) Erwärmung der Fernleitung verantwortlich ist, lässt sich auf diese Weise der Anteil der vom Generator nutzbaren Energie vergrößern. Rückblick S. 80 B1 Im Kunststoffgehäuse des Zahnbürstenhalters ist eine Spule. Diese bildet zusammen mit der Spule, die mit dem Lämpchen verbunden ist einen Transformator, der die Spannung aus der Steckdose auf einen für das Lämpchen passenden Spannungswert herunter transformiert. B2 Bei 1 V kann eine Ladung von 1 As die Energie 1 J umwandeln. Die Batterie enthält die Ladung 45 Ah = 45 · 3600 As = 162 000 As. Wird diese Ladung bei 12 V transportiert, so wird die Energie 1 944 000 J = 1 944 kJ umgewandelt. B3 Durch die nahezu gleichmäßige Rotation des Magneten ändert sich das magnetische Feld, das die Spule durchsetzt periodisch, sodass in der Spule eine Wechselspannung induziert wird. Amplitude und Periode sind unabhängig von der Drehrichtung. B4 Der Induktionsherd funktioniert nach dem Transformatorprinzip, d. h., in der Herdplatte ist die primärspule und der Topfboden bildet die Sekundärspule „mit geringer Windungszahl“. Wie beim Schweißtransformator ist dann die Stromstärke im Topfboden sehr groß (bei gleichzeitig geringer Spannung), sodass sich der Topfboden stark erwärmt. Heimversuche S. 81 22 Elektrische Energie 1 Wir bauen einen Elektromotor Kritische Punkte für die Funktionalität des Motormodells sind die Schleifkontakte und die Lagerung des Ankers. Die Schleifkontakte müssen einerseitseinen widerstandsarmen Kontakt ermöglichen, andererseits darf die dabeiunvermeidliche Reibung nicht zu groß werden. Die Lagerungmuss reibungsarm erfolgen und dennoch eine sichere Führung garantieren. Anstelle der Nagelpaare als Lager kann man auch zwei kleine Winkeleisen auf dem Grundbrettbefestigen und die Achse durch die Bohrung der Winkeleisen stecken. Aufgaben S. 81 2 Versuche mit dem Dynamo a) Die Zahl entspricht der Anzahl der Magnetpaare im Dynamo. b) Durch die Drehung des Magnets im Dynamo entsteht an den Anschlüssen der Spule eine Wechselspannung. Die Anzahl der Perioden während einer Umdrehung der Dynamoachse ist dabei gleich der Anzahl der Magnetpaare. Im Kopfhörer wird die Wechselspannung in Schall umgewandelt. 3 Wechselspannung sichtbar gemacht Der Versuch ist wegen der niedrigen Spannung eine ungefährliche Version der bekannten Glimmlampenversuche. Im zeiten teil sollten die beiden LED in Längsrichtung genau übereinander auf einem Brettchen montiert werden. Der Schutzwiderstand wird nur einmal benötigt und in eines der gemeinsamen Leiterstücke gelegt. 4 Selbstbaulautsprecher Wird an die Spule eine Wechselspannung gelegt, so werden Magnet und Spule abwechselnd gegenseitig angezogen und abgestoßen. Die Membran schwingt dann im gleichen Takt wie die Spannung an der Spule. Aufgaben S. 82 Generator, Motor und Transformator 1 Ein Generator ist eine Maschine, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Das gelingt z. B. mit einer Anordnung wie im Schülerband, S. 72, B5, bei der sich eine Spule im Magnetfeld dreht. Es entsteht bei jeder Umdrehung des Ankers eine sich in Polung und Betrag ändernde Spannung. Man nennt sie Wechselspannung. Eine Wechselspannung entsteht auch an den Enden einer feststehenden Spule, wenn sich vor ihr ein Magnet dreht. Drehen sich Elektromagnete, so kann die in ihnen induzierte Spannung als Gleichspannung über entsprechend verschaltete Kommutatoren abgegriffen werden. Die Höhe einer in einer Generatorspule induzierten Spannung hängt von der Änderung und von der Stärke des sie durchsetzenden Magnetfeldes ab. Sie ist am kleinsten, wenn die Spulenachse annähernd quer zu den Feldlinien steht, sie ist am größten in dem Bereich, bei dem die Spulenachse nahezu parallel zu den Feldlinien zeigt. Erhöhen der Drehgeschwindigkeit und / oder Verwenden mehrerer felderzeugender Magnete (mit jeweils wechselnder Polung des Magnetfeldes in den sich vorbeidrehenden Spulen) pro Umlauf verändert das Magnetfeld rascher und die Spannung steigt entsprechend höher. 2 Eine Spannung, bei der periodisch die Polung gewechselt wird, heißt Wechselspannung. 3 Der Spannungsverlauf ist sinusartig. Die Anzahl der Perioden während einer Umdrehung ist gleich der Anzahl der Magnetpaare. Bei doppelter Geschwindigkeit erhält man doppelt so viele Perioden in der gleichen Zeit sowie doppelte Spannungsbeiträge. U in V t in s 4 a) An der elektrischen Quelle liegt Wechselspannung an. Zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegen sich die Elektronen im angeschlossenen Stromkreis in eine Richtung, wobei die Stärke des Elektronenstroms bis zu einem Höchstwert zunimmt und dann wieder auf 0A abnimmt. Anschließend wiederholt sich der Vorgang bei umgekehrter Richtung des Elektronenstroms. Besonders hell leuchtet die Lampe bei den Höchstwerten der Stromstärke in beiden Richtungen. Ist die Stromstärke 0A, so verlischt die Lampe für einen Moment. b) Eine LED lässt Strom nur in einer Richtung durch, die LED kann nur bei jeder 2. Halbperiode des Wechselstroms leuchten. Daher ist die Aussage in a) zur elektrischen Quelle richtig. c) Geräte: Netztransformator, 2 Kabel, Glühlampe, LED mit zugehörigem Widerstand. Durchführung: Zu a) Schließe die Glühlampe an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Spannung. Zu b) Schließe die LED an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Spannung. Elektrische Energie 23 Aufgaben S. 82 5 In einem Transformator befinden sich zwei Spulen – Primärspule bzw. Sekundärspule genannt – auf einem gemeinsamen Eisenkern. Eine periodische Änderung der Stromstärke in der Primärspule hat eine entsprechend periodische Änderung des Magnetfeldes im Eisenkern zur Folge. Die Sekundärspule wird von diesem Feld ebenfalls durchsetzt, es entsteht in ihr eine von der Stärke des Magnetfeldes und ihrer Windungszahl abhängige Spannung gleicher Periodizität. 6 Tim kann nicht die Energieprobleme der Welt lösen, weil man mit einem Trafo nicht gleichzeitig Spannung und Stromstärke erhöhen kann sondern stets nur eine der beiden Größen bei Verkleinerung der jeweils anderen. Die von Trafo abgegebene Energie ergibt sich aus der zum Trafo übertragenen Energie vermindert um die innere Energie, die beim Transformieren entsteht. Transport und Verteilung elektrischer Energie 7 Kraftwerkstyp Meeresströmungskraftwerk Vorteile Keinen Belastungen von Bewohnern in dichtbesiedelten Gebieten, keinerlei Emissionen Nachteile Energieverluste durch lange Transportwege, Schwieriger Bau Standort Im Meer Voraussetzungen Genügend starke Strömungen Aufwindkraftwerk Keinerlei Emissionen Großer Flächenverbrauch, Abhängigkeit vom Sonnenschein In wenig besiedelten Gebieten Hohe Sonneneinstrahlungsintensität Kohlekraftwerk Koninuierliche Energieversorgung Emissionen von Staub, Wasserdampf, CO2, NOX, SO2 In Ballungsgebieten bei Kohlegruben bzw. an Transportwegen für Massengüter Kostengünstige Versorgung mit Kohle, ausreichende Filterung giftiger Substanzen Kernkraftwerk Koninuierliche Energieversorgung, keine direkte CO2Emission Entsorgung des In der Nähe von radioaktiven Abfalls Ballungsgebieten Kontinuierliche Versorgung mit Kernbrennelementen; aufwändige Sicherheitsanforderungen Müllverbrennungsanlage Verringerung des Abfallvolumens, Energiegewinnung Emissionen von Staub, Wasserdampf, CO2, NOX, SO2, Chlorwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure … Kontinuierliche Versorgung mit Müll, ausreichende Filterung giftiger Substanzen In der Nähe von Ballungsgebieten 8 Energieverlust im physikalischen Sinne kann es aufgrund der Energieerhaltung nicht geben. Gemeint ist die sinkende Nutzbarkeit der Energie bzw. ihre Entwertung. „Energieverluste“ sind Energieentwertungen hin zu thermischer bzw. innerer Energie, die im Laufe der Energieumwandlungskette immer schlechter als mechanische oder elektrische Nutzenergie rückgewinnbar ist. 9 Pro Jahr stehen durch den Umsatz in der Solarzelle 110 J/(s m2 ) · 60 · 60 · 24 · 365 s · 0,15 = 5,20 · 108 J/m2 elektrische Energie zur Verfügung. Der Bedarf ist 6 000 · 3,6 · 106 J = 2,16 · 1010 J. Daraus ergibt sich ein Flächenbedarf von 2,16 · 1010 J : 5,20 · 108 J/m2 = 41,5 m2. Der Flächenbedarf ist recht groß, stünde aber evtl. bei Nutzung aller Hausdächer zur Verfügung. Eine Vollversorgung ist dennoch kaum möglich, weil die zeitlichen Angebotsschwankungen nicht den zeitlichen Bedarfsschwankungen entsprechen. 24 Elektrische Energie Bewegungen Aufgaben S. 85 A1 Im t-s-Diagramm ist die schnellere Lok daran zu erkennen, dass in der gleichen Zeit ein größerer Weg als bei der langsameren Lok zurückgelegt wurde. Die Steigung der zugehörigen Gerade ist größer. Im t-v-Diagramm liegt die zur schnelleren Lok gehörende (parallel zur t-Achse verlaufende) Gerade oberhalb derjenigen der langsameren Lok. A2 t in s 0 5,89 11,95 17,74 23,66 29,49 s in m 0 20 40 60 80 100 v in m/s - 3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 t-s-Diagramm: t-v-Diagramm: s in m 100 v in m/s 80 4 60 3 40 2 20 1 0 t in s 0 10 20 30 0 t in s 0 10 20 30 Beide Diagramme zeigen, dass die Geschwindigkeit nahezu konstant ist. Also hat sich der Radfahrer gleichförmig bewegt. A3 Der Zeitabstand zwischen den vier Fotos muss immer gleich gewesen sein. Aufgaben S. 86 A1 Es ergeben sich folgende Mittelwerte: t = 2 s; s = 0,6925 m t = 3 s; s = 1,045 m t = 4 s; s = 1,4025 m t = 5 s; s = 1,75 m Da die Messfehler nur sehr klein sind, ist kaum ein Unterschied zwischen den Diagrammen zu erkennen. Wird die Geschwindigkeit aus der Steigung ermittelt, so ergeben sich nahezu identische Werte. t-s-Diagramm: s in m 1,6 1,2 0,8 0,4 0 t in s 0 1 2 3 4 5 6 Bewegungen 25 Aufgaben S. 87 A1 Der grüne Graph zeigt die schnellere Bewegung, da er steiler verläuft. A2 Aus einem Steigungsdreieck zwischen t1 = 1 s und t2 = 4 s ergibt sich: ðt = 3 s, ðs ≈ 4,2 m; und damit v ≈ 4,2 m/3 s = 1,4 m/s. Wie die blaue Kurve so flacht auch die grüne Kurve in Diagramm B2 auf der Schülerbuchseite 87 am Ende der Bewegung etwas ab, während sie zu Beginn zunächst steiler wird. Am Anfang und am Ende der Bewegung müsste die Kurve im t-v-Diagramm daher ähnlich aussehen wie im t-v-Diagramm B3 auf der Schülerbuchseite 87. Aufgaben S. 88 v in m/s 1,5 1,0 0,5 0,0 t in s 0 1 2 3 4 5 A1 Der Schall benötigt für s = 75 m t = 0,22 s. A2 t = 1,47 s; t = 3,53 s; t = 14,71 s A3 s = 136 m; s = 850 m; s = 6 800 m; s = 612 km A4 Da der Schall in einer Sekunde 340 m zurück legt, schafft er in drei Sekunden 1 020 m. Das ist etwa 1 km für je drei Sekunden. Aufgaben S. 90 A1 Es ist eine nach unten geöffnete Parabel, die ihren Scheitelpunkt zum Zeitpunkt der größten Höhe der Kugel erreicht. Aufgaben S. 91 A1 zum Beispiel t = 3 s und v = 12 m/s. Dann ist a = _ 3s = 4 m/s2 m 12 _ s A2 100 km/h = 27,78 m/s m 27,78 _ s a1 = _ 12,2 s = 2,28 m/s2 m 27,78 _ s a2 = _ 9,8 s = 2,83 m/s2 Aufgaben S. 92 A1 Folgende Angaben könnten im Text enthalten sein: • Anfahren mit einer Beschleunigung von 0,22 m/s2 bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h. • Ortsdurchfahrt für etwa drei Minuten mit konstanter Geschwindigkeit. • Verlassen des Ortes und Beschleunigung auf freier Strecke mit a ≈ 0,08 m/s2 bis auf 90 km/h. • Langsames Abbremsen aufgrund eines vorausfahrenden Lkw bis auf 65 km/h. • Überholen: Beschleunigung auf 100 km/h innerhalb von etwa 100 s (a = 0,10 m/s2). • Langsames Abbremsen auf 50 km/h, Erreichen der nächsten Ortschaft nach insgesamt 12 Minuten. • Insgesamt 13 Minuten Ortsdurchfahrt, dabei zwischen t = 19 min und t = 22 min Abbremsen, Stillstand und erneutes Anfahren aufgrund einer roten Ampel. • Beschleunigung auf fast 90 km/h mit a = 0,19 m/s2. • Erhöhtes Verkehrsaufkommen und dadurch etwas ungleichförmige Fahrt bis t = 30 min. • Sich stetig aber langsam verringernde Geschwindigkeit aufgrund von Kolonnenbildung. • Nach t = 33 min Erreichen der nächsten Ortschaft. • Stillstand nach knapp 35 Minuten, Erreichen des Ziels. Aufgaben S. 93 A1 Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300 000 km/s. Nach t = s/v = 1 m / 300 000 000 m/s = 3,3 · 10-9 s ist die Länge des Urmeters also die Strecke, die das Licht in 3,3 Nanosekunden zurücklegt. 26 Bewegungen Rückblick S. 94 B1 Hier können mindestens zwei Aspekte angesprochen werden: Betrachtet man nur die Bewegung des Bootes (in Bezug zum ruhenden See), so bewegt sich das Boot auf den geraden Strecken nahezu gleichförmig. Durch das „Mitziehen“ der Kamera wird allerdings auch schon die Frage nach dem Bezugssystemes angesprochen. Der Hintergrund erscheint bewegt, während das Boot still zu stehen scheint. Das Bild zeigt also indirekt die (gleichförmige) Bewegung der Kamera. B2 Der Skispringer startet aus der Ruhelage und wird immer schneller. Es handelt sich also um eine beschelunigte Bewegung. B3 Die roten Bremslichter weisen auf eine verzögerte Bewegung hin. B4 Der Fallschirm sorgt für eine gleich bleibende Geschwindigkeit des Springers. Freier Fall bedeutet dagegen Beschleunigung. Heimversuche S. 95 1 Tachometerprüfung am Fahrrad Eine vorgegebene Dtrecke mit gleich bleibender Geschwindigkeit zu durchfahren gelingt am ehesten mit „fliegendem Start“. 2 Die Geschwindigkeit eines Flusses Genau genommen wird die Durchschnittsgeschwindigkeit des Flusses unter der Brücke bestimmt. Es ist: (Breite der Brücke in m) vFluss= ___ (Schwimmzeit des Gegenstandes in s) 3 Eine Kugel rollt Ggf. sollte der Hinweis gegeben werden, die Messergebnisse nicht nur in ein t-s-Diagramm einzutragen, sondern auch in ein t2-s-Diagramm. Aufgaben S. 96 Schnell und langsam 1 links oben: s in m 5 Ausgleichsgerade möglich. Begründung: kleine Abweichungen von der Proportionalität sind Messungenauigkeiten Steigung: v = 0,46 m/s 4 3 2 1 0 t in s 0 links unten: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 s in m 15 Ausgleichsgerade möglich. Begründung: s. o. Steigung: v = 1,33 m/s 12 9 6 3 0 t in s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bewegungen 27 Aufgaben S. 96 rechts oben: s in m 10 Keine Ausgleichsgerade möglich. Begründung: keine Systematik erkennbar; gravierende systematische Fehler oder ungleichförmige Bewegung 8 6 4 2 0 t in s 0 rechts unten: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 s in m 10 Keine Ausgleichsgerade möglich. Begründung: der zurückgelegte Weg pro Zeitabschnitt steigt mit der Zeit; vermutlich gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Parabelform 8 6 4 2 0 t in s 0 1 2 t-s-Diagramm:: 2 3 4 5 s in cm 50 40 30 20 10 0 km 3,6 · 1 000 m t in s 0 1 2 m 3 a) 3,6 _ = _ 3600 s = 1 _ s h km 20 000 m m ( km m ) _ _ b) 20 _ = _ 3 600 s = 5,6 _ s 80 h = 22,4 s h m m km km ( m km km ) _ _ _ _ _ _ c) 20 _ s = 20 · 1 s = 20 · 3,6 h = 72 h 30 s = 30 · 3,6 h = 108 h 120 km · 10 s 120 · 1 000 m · 10,0 s 4 s = v · t = _ = __ = 333 m 3600 s h s 1 km 3 600 · 1 km km 5 v = _ t = _ 18,0 s = _ 18,0 h = 200 _ h m 6 s = v · t = 340 _ s · 3 s = 1 020 m ≈ 1 km 28 Bewegungen 3 4 5 6 7 Aufgaben S. 96 7 Der Abstand der beiden Kontakte bildet eine feste Entfernung s. Beim Überfahren des ersten Kontakts wird eine Stoppuhr gestartet und beim zweiten Kontakt wieder angehalten. Mit v = s / t kann dann, bei angenommener gleichförmiger Bewegung, die Geschwindigkeit berechnet werden. s 8 Fahrzeit bei konstanter Geschwindigkeit: t = _ v s 4 km t1= _ v = _ 100 km/h = 0,04 h = 144 s = 2 min 24 s 1 s 4 km t2 = _ v = _ 120 km/h = 0,03 h = 120 s = 2 min. 2 Die Zeitersparnis beträgt 24 s. 9 a) Siehe Diagramm b) Im Bereich von t = 3,0 s bis t = 7,0 s liegen die Messpunkte recht gut auf einer Geraden, die Geschwindigkeit ist dort konstant. ð s 5,0 m s in m 30 m c) v0 m ¥ 5 m= _ ð t = _ 2,0 s = 2,5 _ s ð s 12 m m 20 v14 m ¥ 26 m= _ ð t =_ = 6,0 _ s 2,0 s 10 0 t in s 0 1 2 3 4 5 6 7 10 a) 100 m b) Bremsweg: zurückgelegter Weg bei Wirkung der Bremsen Anhalteweg: Bremsweg plus während der Reaktionszeit zurückgelegter Weg Bei einer Reaktionszeit von 1 s legt das Auto s = v · t = 100 km/h · 1 s = 27,78 m/s · 1 s = 27,78 m zurück. Der eigentliche Bremsweg beträgt also 100 m – 27,78 m = 72,22 m b) Moderne Pkw haben aus 100 km/h einen Bremsweg von unter 40 m. Gründe: bessere Bremsanlagen (mit ABS usw.), bessere Reifen mit höherer Haftreibung beim Bremsen. 11 1. Abschnitt: gleichmäßig beschleunigte Bewegung von 0 km/h auf 100 km/h innerhalb von km m 100 _ 27,78 _ s h 60 s. a = _ 60s = _ 60 s = 0,463 m/s2 2. Abschnitt: gleichförmige Bewegung für 3 min bei 100 km/h 3. Abschnitt: gleichmäßige Beschleunigung innerhalb von 150 s von 100 km/h auf 200 km/h 4. Abschnitt: gleichmäßiges Bremsen auf 50 km/h innerhalb von 90 s danach: gleichförmige Bewegung Bewegungen 29 Masse und Kraft Aufgaben S. 98 A1 Z. B. Anfahren und Abbremsen eines Fahrstuhls; in den Kurven eines Karussell wird man nach außen gedrückt; Abklopfen von Löffeln auf dem Topfrand; Festklopfen eines Hammerkopfes durch heftiges Schlagen des Stiels auf eine Unterlage; Unfälle bei vereister Fahrbahn. Aufgaben S. 99 A1 Da die Masse die Trägheit bestimmt, ist die Trägheit des Lkw fünf- bis zehnmal so groß wie die des Pkw. Wenn das Fahrzeug gegen ein Hindernis fährt, wird der Pkw leichter abgebremst bzw. richtet weniger Schaden an als der Lkw. A2 – Aufgaben S. 101 A1 Z. B. Tischtennis (Schläger; Richtung Gegner); Gewichtheben (Hände, Arme; nach oben); Segeln (Segel; in Bewegungsrichtung); Bogenschießen (Berührpunkt Sehne – Pfeil; Richtung Zielscheibe). A2 Der Betrag der Kraft könnte die Flughöhe oder Flugweite des Balls ändern. Die Richtung der Kraft könnte darüber entscheiden, ob er im Netz hängen bleibt oder ins Aus geht. Der Angriffspunkt beeinflusst, ob der Ball „richtig“ getroffen wird, also den gewünschten Weg der Kraftrichtung nimmt. Aufgaben S. 105 A1 Beide Geraden verlaufen durch den Ursprung, diejenige zu D2 ist deutlich steiler als die zu D1. A2 Wenn die Verformung von selbst vollständig verschwindet, ist sie elastisch. Genauer ist eine Messung der Länge der Verformung s und der jeweils wirkenden Kraft. Beide Größen müssen bei elastischer Verformung proportional zueinander sein. Aufgaben S. 106 A1 Das Auto trifft auf ein Hindernis. Die Karosserie verbeult sich zwischen 0,03 s und 0,09 s nach dem Aufprall fortschreitend stärker. Der Airbag beginnt bei 0,03 s, sich zu öffnen und fängt den Dummy auf, der sich ab 0,05 s deutlich Richtung Lenkrad bewegt. Bei 0,07 s und 0,09 s bewegt sich das Auto nicht mehr weiter vorwärts, sondern gerät in eine leichte Schräglage: Es wird vorne zum Boden hin gestaucht und hinten ein wenig angehoben. A2 Die Bewegungsenergie des Autos wird letztendlich in innere Energie des Hindernisses und der Karosserie verwandelt. Auf dem Weg dahin bewegt sich auch das Material, also wird Bewegungsenergie übertragen. A3 Das Auto hat eine große Trägheit. Daher müssen die wirkenden Kräfte groß sein, um es zum Stillstand zu bringen. Dies wird durch die Schäden belegt. Auch Gegenstände im Auto bewegen sich aufgrund ihrer Trägheit nach dem Aufprall weiter. Der Dummy wird vom Sicherheitsgurt und vom Airbag abgebremst, die eine Kraft in entgegengesetzter Richtung auf ihn ausüben. Aufgaben S. 107 30 Masse und Kraft A1 „Kraftphysiker“: Der Airbag sorgt dafür, dass die Zeitdauer bis zum Stillstand des sich bewegenden Insassen verlängert wird. Aus diesem Grund sind die wirkenden Kräfte kleiner und man landet „weich“. „Energiephysiker“: der Airbag verwandelt die Bewegungsenergie der Insassen in innere Energie des Materials und der Luft. Sie wird nicht in innere Energie des Menschen umgewandelt. Aufgaben S. 108 A1 Je nach Quellenlage können die Angaben insbesondere hinsichtlich der Gasplaneten schwankgen. Folgende Angabe nach http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph08/umwelt_technik/10_ planeten/g-faktoren.htm (Stand 2008): Sonne 274 N/kg; Merkur 3,7 N/kg; Venus 8,87 N/kg; Mars 3,73 N/kg; Jupiter 24,9 N/Kg; Saturn 11,1 N/kg; Uranus 9,0 N/kg; Neptun 11,4 N/kg Pluto (kein Planet) 0,17 N/Kg Aufgaben S. 109 A1 F = m · g = 110 kg · 1,62 N/kg = 178,2 N F 178,2 N m=_ g = _ _ = 18,17 kg N 9,81 kg A2 Geräte: genormtes Massestück bekannter Masse, Kraftmesser; Durchführung: Bestimmung der wirkenden Kraft auf die Normmasse; dann Berechnung von g über g = F / m. Aufgaben S. 111 A1 Die gelben Markierungen geben physikalische Einheiten an. Die blauen Markierungen beschreiben Phänomene, die ihre Begründung in der Trägheit haben. Hier könnten noch folgende Sätze markiert werden: „Der Wagen wollte einfach nicht anhalten.“ und „Und geradeaus fliegen tun sie noch, …“ A2 Rot markiert ist die in der Physik ungebräuchliche Einheit Pfund. 1 Pfund = 500 g; im englischsprachigen Raum ist 1 Pfund ungefähr 454 g. Grün markiert sind physikalische Begriffe in ihrer Verwendung in der Alltagssprache. Ihre Bedeutung ist hier nicht immer ganz deckungsgleich mit der physikalischen Bedeutung. A3 Die Angabe „Tragkraft 250 g“ ist physikalisch falsch. Gemeint ist: „Messbereich 250 g“. Tatsächlich misst die Waage Kräfte und müsste eine Skala in Newton besitzen. Im Alltag ist es jedoch üblich, die Umrechnung in eine Masse (100 g entsprechen auf der Erde etwa 1 N) bereits bei der Beschriftung zu berücksichtigen. A4 Die zu messende Masse wird auf die Waagschale gelegt. Diese sinkt nach unten. Nun müssen das große und kleine Gewicht auf dem Waagarm rechts von der Aufhängung verschoben werden, bis der Waagarm waagerecht steht. An den Markierungen auf dem Waagarm kann dann abgelesen werden, welche Masse aufliegt. Rückblick S. 112 B1 Kraftphysiker: Beim Aufprall wird das Fahrzeug auf kürzester Distanz bis zum Stillstand abgebremst. Auf das Fahrzeug wirkt eine Kraft entgegen der Fahrtrichtung. Durch die Kraft wird auch das Fahrzeug verformt. Energiephysiker: Beim Aufprall wird die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in innere Energie (des Fahrzeugs und der Umgebung) umgewandelt werden. Dies geschieht durch die (plastische) Verformung. B2 Das Plakat weist auf die Trägheit hin. Beim starken Bremsen oder bei einem Aufprall bewegt sich der Teddy aufgrund seiner Trägheit weiterhin vorwärts. Das Kind würde sich ebenfalls weiter vorwärts bewegen, wenn es nicht durch den Sicherheitsgurt gehalten würde. B3 Der Sack für das Boxtraining hat eine große Masse und daher auch eine große Trägheit, damit er sich bei den Boxschlägen kaum aus der Ruhelage bewegt. B4 Die unterschiedlichen Ortsfaktoren bedeuten, dass ein gegenstand auf diesen Himmeslkörpern unterschiedliche Gewichtskraft hat. B5 Beim Start beschleunigen die Sprinter sehr stark. Damit es dabei nur zu einer Vorwärtsbewegung und nicht zu einer Drehbewegung des Sprinters kommt, muss die Verbindungslinie zwischen Angriffspunkt der Kraft (am Fuß des Sprinters) und der Schwerpunkt des Sprinters (etwa) der Richtung der beschleunigenden Kraft entsprechen. Dies wird durch das Vorbeugen erreicht. Masse und Kraft 31 Rückblick S. 112 B6 Die Masse ist vom Ort unabhängig. Der Astronaut hat selbstverständlich eine Masse (auch wenn er sich „schwerelos“ fühlt). Heimversuche S. 113 1 Sicherheitsmaßnahmen für ein Ei Wie mit der Knautschzone im Pkw muss auch hier der Bremsweg für das Ei verlängert werden, um die auftretende Kraft möglichst klein zu halten. 2 Untersuchung der Ausdehnung einer selbst gebastelten Feder Das Hooke`sche Gesetz gilt nur in einem engen Bereich, da sich der Eisendraht auch plastisch verformt. Aufgaben S. 113 Trägheit und Kraftwirkungen 1 Ein Auto wird schneller bzw. bremst; eine Feder wird gedehnt; ein Ball wird verformt; ein Nagel wird in die Wand geschlagen; ein Speer wird geworfen; Äste wiegen im Wind. Beispiele für keine physikalischen Kräfte: Kraftbrühe, Sehkraft, Leuchtkraft, Waschkraft, Schaffenskraft, Willenskraft, Überzeugungskraft, Kraftausdruck. 2 a) Entgegen der Fahrtrichtung. b) Der Körper möchte die Geradeausbewegung beibehalten, da der Bus in eine Rechtskurve fährt, wird man in Richtung der linken Wand gedrückt. c) Man muss sich festhalten, um nicht nach vorne zu fallen. 3 Das Vorderrad bleibt aufgrund des Bremsens plötzlich stehen, der hintere Teil des Fahrrads ist jedoch träge und strebt danach, seine Bewegung beizubehalten. Es kann passieren, dass die Bewegung in die einzige mögliche Richtung, nämlich um die Achse des Vorderrades (nach „oben“) weitergeht und der Fahrer mit dem Rad nach oben katapultiert wird und sich überschlägt. 4 Betrag, Richtung und Angriffspunkt der Kraft (die Art der Kraft ist unerheblich) 5 Wenn das Auto durch den Aufprall eines von hinten auffahrenden Autos plötzlich nach vorne beschleunigt wird, kann der Kopf aufgrund seiner Trägheit nicht schnell genug folgen und wird an der Halswirbelsäule gebogen. Die Kopfstütze fängt den Kopf auf und verringert als Knautschzone die wirkende Kraft. 6 Der Körper behält entweder die neue Form bei (er ist plastisch verformbar, also unelastisch) oder er begibt sich nach kurzer Zeit wieder in seine ursprüngliche Form (elastisch). Nähert er sich seiner ursprünglichen Form mehr oder weniger an (z. B. Eisenstange), so ist er teilelastisch. 7 Die Kugel übt eine Kraft auf den Rand aus und eine minimale, nicht sichtbare elastische Verformung der Kugel und des Randes finden statt. Bei der Wiederherstellung der ursprünglichen Form übt der Tisch eine Kraft auf die Kugel mit geänderter Richtung aus und diese „prallt ab“. 8 Die Knautschzone sorgt dafür, dass die Änderung der Geschwindigkeit in längerer Zeit abläuft als ohne Knautschzone. Durch die langsamere Geschwindigkeitsänderung wirkt eine geringere Kraft. („Kraftphysiker“) Die Knautschzone nimmt die Bewegungsenergie des Körpers auf und verwandelt sie in innere Energie des Knautschmaterials. Dadurch wird sie nicht in innere Energie des Körpers umgewandelt und Verletzungen werden verhindert. („Energiephysiker“) Aufgaben S. 114 Hook‘sches Gesetz 9 a) Der Betrag der zur Dehnung erforderlichen Zugkraft F in Richtung der Federdehnung ist proportional zur Verlängerung s der Federdehnung. Dies gilt für alle nicht zu großen Kräfte. b) Betrachtet man die Messskala eines Federkraftmessers in seinem Messbereich, so erkennt man, dass die einzelnen Marken gleich große Abstände haben; das bedeutet, dass die dehnende 32 Masse und Kraft Aufgaben S. 114 Kraft F und die Federdehnung s direkt proportional sind. Das Hooke‘sche Gesetz gilt also innerhalb des Messbereichs des Kraftmessers. F 250 N 10 Aus F = D · s folgt s = _ D = _ 30 N/cm = = 8,33cm F 11 a) D = _ s = 4,0 N/6,0 cm = 0,67 N/cm F 1,5 N b) s = _ D = _ 0,67 N/cm = 2,2 cm 12 Es wird vorausgesetzt, dass das Hooke’sche Gesetz näherungsweise erfüllt ist. Dies ist allerdings nur für kleine Dehnungen richtig. Dann gilt: D = 5 N/10 cm = 0,5 N/cm. 6,0 N s = F / D = _ 0,5 N/cm = 12 cm 13 Eine sechsmal so große Kraft würde die Pufferfeder auch sechsmal so weit zusammendrücken. Die Stauchung bei 90 kN beträgt dann s = 6 · 25 mm = 150 mm. 14 a) Siehe Diagramm F in N 14 b) Bis etwa 2 cm bzw. 10 N gilt wegen Linearität das Hooke’sche Gesetz. D aus der Zeichnung: D = 10 N/2,1 cm = 4,8 N/cm. Aus der Tabelle ergibt sich bis 2,1 cm als Mittelwert D Mittel = 4,9 N/cm. 7,5 N c) Für F = 7,5 N wird s = _ 4,8 N/cm = 1,6 cm. Das ist eine gute Übereinstimmung mit dem Diagramm. 12 10 8 6 4 2 0 s in cm 0 1 2 3 4 15 Gemäß Schülerband S. 105, B2 sind beim Gummiband wirkende Kraft F und Verlängerung s nicht proportional. Zusätzlich ergeben sich beim Verlängern und Zusammenziehen verschiedene Wertepaare (F / s). Somit wäre das Gummiband als Kraftmesser nur mit dem vorliegenden Diagramm nutzbar. 16 a) Im Abschnitt von 0 m bis etwa 30 m Dehnung und von 45 m bis etwa 90 m verhält sich das Bungeeseil weitgehend elastisch; d. h. die Steigung des Graphen ist ungefähr konstant. b) Zwischen 0 m und 30 m zum Beispiel: F = 800 N, s = 30 m sowie (0/0). D = F / s = 800 N/30 m = 26,67 N/m Zwischen 45 m und 90 m: (45/1050) und (90/1500); ðF 1500 N – 1050 N 450 N N D=_ ðs = __ 90 m – 45 m =_ 45 m = 10 _ m c) Bei einer Kraft über 3000 N verlängert sich das Seil nur noch wenig. Das Seil ist somit sicher nicht für die Benutzung mit Kräften über 3000 N gedacht. Der Abreißpunkt dieses Seils ist in dem Diagramm nicht mehr zu erkennen, d. h. er liegt bei einer größeren Kraft als 7000 N. Der fast waagerechte Verlauf des Graphen für einen Kupferdraht bei hohen Kräften (Schülerbuch, S. 105, B2) könnte sich auch hier für noch größere Kräfte anschließen. Dann kann das Seil auch reißen. Masse und Kraft 33 Aufgaben S. 114 Gewichtskraft und Masse F 1187 N 17 g = 9,81 N/kg; aus F = m · g folgt m = _ g = _ 9,81 N/kg = 121 kg Auf dem Mond verändert sich die Masse des Astronauten nicht. 18 1 kg Wasser: F = 9,81 N 1 t Butter: F = 1 000 kg · 9,81 N/kg = 9 810 N 500 g Wurst: F = 0,5 kg · 9,81 N/kg = 4,905 N 200 mg Diamant: F = 0,2 · 10-3 kg · 9,81 N/kg = 0,001962 N = 1,96 mN 19 Die Gewichtskraft nimmt mit der Höhe über Meeresniveau ab (genauer: mit der Entfernung vom Erdmittelpunkt), auf dem Gipfel des Kilimandscharo (g = 9,80 N/kg) erfährt daher das Gepäck eine geringere Gewichtskraft als am Nordpol (g = 9,83 N/kg). Die Differenz beträgt aber nur 1,5 N. 20 a) nur möglich, falls der Ortsfaktor bekannt ist. b) Messung ist durch Massenvergleich direkt möglich. c) Mit einem Massenstück ist der Ortsfaktor zu bestimmen, damit lässt sich aus der gemessenen Kraft die Masse berechnen. 21 a) Es trifft zu, die Anziehung des Mondes ist an den Gezeiten zu erkennen, die Anziehung der Erde bindet den Mond. b) Es trifft zu, aber die Kräfte sind viel zu klein, als dass sie sicht- oder messbar wären, da die Anziehungskraft von der Masse der beteiligten Körper abhängt. Die Formel F = m · g berücksichtigt die Masse des einen Körpers durch das „m“ und diejenige des zweiten Körpers steckt im „g“, wie am Beispiel der Ortsfaktoren von Erde und Mond deutlich wird. 34 Masse und Kraft Zusammenwirken von Kräften Aufgaben S. 119 A1 Z. B. Kutsche, die von mehreren Pferden gezogen wird; Tragen von Gegenständen mit mehreren Personen; Tauziehen; Drachen steigen lassen; Gummiband, das auseinander gezogen wird. A2 Die Rutschkraft sollte bei einer Leiter deutlich kleiner sein als die Drückkraft. Dies ist dann der Fall, wenn der Winkel a, den die Leiter mit dem Boden bildet, über 45 ° groß ist. Aufgaben S. 121 Aufgaben S. 123 A1 Kraft Gegenkraft 100-m-Lauf Füße Startblock, Boden Klettern Hände, Füße Fels Skilanglauf Stöcke Boden Stabhochsprung Arme, Stabende Boden Schwimmen Hände, Arme, Beine Wasser A1 Befinden sich vorne doppelt so viele Zähne wie hinten, so hat sich schon bei einer halben Umdrehung des Vorderrades das Hinterrad einmal ganz gedreht. Für schnelles Fahren ist es also günstig, vorne viele Zähne und hinten wenig Zähne zu verwenden. A2 Es ergibt sich, dass die Kräfte F1 und F2 im umgehrten Verhältnis zueinander stehen wie die Kreisradien r1 und r2: F1 r2 _ _ F = r1 2 A3 An dem endlosen Seil, das auf dem Kreis mir Radius r2 läuft, wird mit einer kleinen Kraft F2 gezogen. Die Last hängt an dem Seil, das mit einem kleineren Radius r1 aufgewickelt wird. Nach dem Hebelgesetz ist dadurch die Kraft F1 um den Faktor r2 / r1 größer als die Kraft F2. Es können also schwere Lasten mit wenig Kraftaufwand hochgezogen werden. Allerdings muss dafür auch sehr viel Seil gezogen werden. a) Die Aufgabe wird vom Aufbau in der Zeichnung erfüllt. b) Die Last müsste bei F2 befestigt werden und statt des Endlosseils müsste man auch hier das Seil aufwickeln. Dann würde ein kleiner Zug mit der großen Kraft F2 die Last einen weiten Weg nach oben transportieren. A4 Schnelles Fahren ist nur durch schnelleres Treten, d. h. mehr Umdrehungen pro Zeit, möglich. Aufgaben S. 125 A1 Die Zugkraft links ist immer genauso groß wie die Gewichtskraft rechts. Die gezogene Länge Seil entspricht der Hubhöhe. A2 Die Zugkraft ist nur halb so groß wie die Gewichtskraft. Die gezogene Seillänge ist doppelt so groß wie die Hubhöhe. A3 Die Kraft verteilt sich auf vier Seilstücke und beträgt deswegen nur noch ein Viertel der Gewichtskraft der angehängten Masse. Aufgaben S. 126 A1 – Rückblick S. 128 B1 Bei parallelen Kräften ist die Ersatzkraft gleich der Summe der Einzelkräfte. B2 Wechselwirkungsprinzip: Beim Absprung übt der Fuß eine Kraft auf das Boot aus und das Boot „antwortet“ mit der Gegenkraft. Da das Boot leicht beweglich ist, wird es weggeschoben. Zusammenwirken von Kräften 35 Rückblick S. 128 B3 Da die Brücke nicht einstürzt, muss die Gewichtskraft jedes Steins im Brückenbogen durch eine gleich große Kraft kompensiert werden. Aufgrund der Keilform der Steine im Brückenbogen kann diese Kraft so in Teilkräfte zerlegt werden, dass sie jeweils durch die Gewichtskraft der Nachbarsteine erzeugt wird. Die Gesamtgewichtskraft der Brücke wirkt dann nur noch dort, wo die Brücke im Boden verankert ist (und muss dort durch die gegenkraft des Bodens kompensiert werden). B4 Auf den Pfeil wirken zwei Kräfte in Richtung der Bogensehne. Die Ersatzkraft dieser beiden Kräfte beschleunigt den Pfeil in Flugrichtung. Beim Spannen der Bogensehne wirkt die Muskelkraft des Bogenschützen den beiden Kräften entgegen. B5 Zur Fortbewegung benötigt man eine Gegenkraft. Frei schwebend im Vakuum ist die Fortbewegung daher nur mit einem Raketenantrieb möglich. B6 Baron Münchhausen behauptet, dass er sich selbst an den Haaren aus dem Sumpf gezogen habe. Dies kann nicht funktionieren, weil Kraft und Gegenkraft auf den selben Körper wirken und sich daher zu Null addieren. B7 Tintenfische können sich durch Ausstoß des Atemwassers durch den so genannten Trichter (eine siphonähnliche, nach allen Seiten zu bewegenden Verlängerung der Öffnung zur Atemhöhle) fortbewegen (Rückstoßprinzip). Heimversuche S. 129 1 Fahrzeug mit Gummibandmotor Das gespannte Gummi übt eine Kraft auf die Welle des Propellers aus und versetzt ihn so in Drehung (Die Gegenkraft, die den Wagen in umgekehrte Drehung versetzt wird durch die Wechselwirkung des Wagens mit der Erde „aufgefangen“). Der Propeller übt eine Kraft auf die Luft aus – er beschleunigt die Luftteilchen. Die Luft „antwortet“ mit der Gegenkraft auf den Propeller, die den gesamten Wagen in entgegengesetzte Richtung zur Luft beschleunigt. 2 Wir testen: Wie groß ist die Belastbarkeit von Papier Der „Trick“ besteht darin, durch geschickte Konstruktion die Gewichtskraft der Last in möglichst viele kleine Teilkräfte zu zerlegen. Aufgaben S. 130 Zusammenwirken von Kräften 1 Die Ersatzkraft aller im System angreifenden Kräfte (mindestens zwei) besitzt den Betrag 0. 2 Die Gewichtskräfte der Last und des Seils sind gleich gerichtet; der Betrag der Ersatzkraft ist die Summe der einzelnen Gewichtskräfte: F = 200 N + 100 N = 300 N 3 Siehe Zeichnung: F1 = 15 N F = 18 N 36 Zusammenwirken von Kräften F2 = 10 N Aufgaben S. 130 4 Siehe Zeichnung: 3N 8N 3,5 N F F 3N F = 8,8 N F = 2,2 N 5N F 6N F = 11 N 5 Siehe Zeichnung: a = 45°: F2 F a F1 in N 2 5 6 8 12 20 24 27 F2 in N 1 4 5 9 15 20 12 45 F in N 2,8 8,3 10,2 15,7 25,0 37,0 33,6 66,9 F1 in N 2 5 6 8 12 20 24 27 F2 in N 1 4 5 9 15 20 12 45 F in N 2,2 6,4 7,8 12,0 19,2 28,3 26,8 52,5 F1 in N 2 5 6 8 12 20 24 27 F1 a = 90°: F2 F a F1 a = 135°: F2 F a F1 F2 in N 1 4 5 9 15 20 12 45 F in N 1,5 3,6 4,3 6,6 10,7 15,3 17,7 32,2 6 Siehe Zeichnung: F2 F2 F1 F1 F F F1 = 4,3 N F2 = 3,2 N F = 3,0 N F1 = 3,0 N F2 = 3,0 N F = 4,3 N Zusammenwirken von Kräften 37 Aufgaben S. 130 7 Die Gewichtskraft jedes Steins kann man sich aufgrund der Krümmung des Gewölbes in zwei Teilkräfte zerlegt denken. Diese Teilkräfte wirken jeweils auf den Nachbarstein rechts und links. Auch die Gewichtskraft der Nachbarsteine kann wieder zerlegt werden. Sind die beiden Teilkräfte jedes Steins genauso groß wie diejenigen seiner Nachbarn, so entsteht zwischen zwei Steinen immer ein Kräftegleichgewicht. Lediglich bei den beiden ganz äußeren Steines muss dieses auf andere Weise hergestellt werden. 8 Die Kugel wird mit einer sehr großen Kraft aus dem Gewehrlauf geschossen. Nach dem Wechselwirkungsgesetz gehört zu jeder Kraft eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft. Diese verursacht den Rückstoß. Die Größe des Rückstoßes hängt deshalb letztendlich von der Beschleunigung der Kugel und ihrer Masse ab. 9 Ohne Reibung gelingt es kaum, eine Kraft auf die Stange auszuüben. Daher gibt es auch nur eine geringe Gegenkraft, die aber zum Vorwärtskommen erforderlich ist. 10 Auf die Kugel wirkt – wie auf alle Körper auf der Erde – die Gewichtskraft. Der Tisch übt jedoch eine entgegengesetzt gerichtete, gleich große Gegenkraft auf die Kugel aus. Damit entsteht ein Kräftegleichgewicht. Die Ersatzkraft ist null und daher ist keine Kraft beobachtbar. Wenn die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit rollt, wirkt entweder keine Kraft oder es herrscht ebenfalls ein Kräftegleichgewicht. Da eine Kugel keine Antriebskraft besitzt, auf der Erde jedoch ständig eine Widerstandskraft (Luft- und Bodenreibung) wirkt, folgt hieraus, dass eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit für eine rollende Kugel auf der Erde gar nicht möglich ist. Oft wird jedoch die Idealisierung vorgenommen, die Widerstandskraft zu vernachlässigen. Dann bewegt sich die Kugel kräftefrei. 11 Es wirkt am Berührpunkt von Ball und Wand eine Kraft, die der Ball auf die Wand ausübt, und eine gleich große Gegenkraft, die die wand auf den Ball ausübt. Diese Kraft wirkt so lange, wie sich Ball und Wand berühren. In der ersten Hälfte dieser Zeitspanne wird der Ball verzögert bis seine Geschwindigkeit gleich null ist, anschließend erfolgt die Beschleunigung in entgegengesetzter Richtung während der zweiten Hälfte dieser Zeitspanne. 12 Auf der Erde wirkt durch die Luft eine Widerstandskraft auf den Stein. Da er durch seine Gewichtskraft beschleunigt wird, steigt die Widerstandskraft ständig, bis sie so groß wie die Gewichtskraft ist. Dann herrscht Kräftegleichgewicht und die Geschwindigkeit bleibt konstant. Auf dem Mond fehlt die Widerstandskraft. Dadurch wirkt nur die Gewichtskraft, die den Stein immer weiter beschleunigt. Schwierige Probleme 13 Da die Kräfte gleiche Beträge besitzen, besteht das Kräfteparallelogramm aus zwei gleichseitigen Dreiecken; daher ist der Winkel zwischen den beiden Kräften 120 °. 14 Es wirken 250 N nach links. An der Verbindung der Seile müssen daher in der Verlängerung des linken Seils ebenfalls 250 N nach rechts wirken, um ein Kräftegleichgewicht zu erreichen. Diese beiden Kraftpfeile werden gezeichnet. Der rechte Pfeil wird dann unter Berücksichtigung der Winkelvorgabe in zwei Teilkräfte zerlegt. Es ergeben sich etwa 210 N für das Mädchen und etwa 75 N für den Jungen (siehe Zeichnung). F2 = 200 N F1 = 250 N 135° F3 = 75 N 38 Zusammenwirken von Kräften 60° Aufgaben S. 130 15 Siehe Grafiken l1 F1 F1 l1 l2 F2 F2 l1 l2 F1 F1 F2 > F1 F2 l1 l2 F2 l2 F2 F1 l2 l1 16 Die Waage zeigt 550 g an. Dass sie die Masse des unteren Magneten und der Halterung misst, ist klar. Der zweite Magnet schwebt zwar, jedoch wirkt zu der Kraft, die ihn in der Schwebe hält, eine gleich große Gegenkraft nach unten auf den ersten Magneten. Diese muss vom Betrag her gleich der Gewichtskraft des Magneten sein und wird mit gemessen. Zusammenwirken von Kräften 39
