Elektrizi- tätslehre Mechanik (Translation) Wärme - KPK
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Die Analogie – das Herz des Denkens Bekannte und überraschende Analogien in der Physik 08.05.2015 Strom – Antrieb – Widerstand – Kapazität „eine Fünfer-Analogie“ Peter Schmälzle, Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Gym) Karlsruhe Sechser-Analogie: Mengenartige Größen Energie elektr. Ladung E P Entropie Stoffmenge Q S n I IS In Impuls Drehimpuls Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In Mechanik (Rotation) Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Temperatur chem. Potenzial elektr. Potenzial, Spannung Geschwindigkeit Mechanik (Rotation) Winkelgeschwindigkeit Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T E = T ·S E = ·n E = U ·Q E = v ·p „elektrische Energie“ „Wärme“ „Bewegungsenergie“ „chemische Energie“ Mechanik (Rotation) E = ·L „Rotations -energie“ Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T E = T ·S E = ·n E = U ·Q Energie und Ladung E = v ·p Energie und Entropie Energie und Impuls Energie und Stoffmenge Mechanik (Rotation) E = ·L Energie und Drehimpuls Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P = U·I P = T · IS P = · In Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P = U·I P = T · IS P = · In Grundlage der bildhaften Beschreibung: Energie und Energieträger Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P = U·I P = T · IS P = · In Grundlage der bildhaften Beschreibung: Energie und Energieträger Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) P = U·I Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M I Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung U Der Potenzialunterschied = U zwischen den Anschlüssen der Batterie ist der Antrieb für einen Ladungsstrom. (Rotation) Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) Mechanik (Translation) P = U·I Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M (Rotation) Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung v0 v=0 Der Geschwindigkeitsunterschied v zwischen Körper und Unterlage ist der Antrieb für einen Impulsstrom. Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) P = U·I Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung Der Winkelgeschwindigkeitsunterschied ist der Antrieb für einen Drehimpulsstrom. (Rotation) Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) Mechanik (Translation) P = U·I Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M Taußen Tinnen Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung Der Temperaturunterschied T zwischen innen und außen ist der Antrieb für einen Entropiestrom. (Rotation) Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) Mechanik (Translation) P = U·I Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung Materiestrom durch Pipeline 1 2 Pumpe Der Unterschied im chemischen Potenzial ist der Antrieb für einen Mengenstrom. (Rotation) Fünfer-Analogie Elektrizitätslehre Energiestromstärke (Leistung) Mechanik (Translation) P = U·I Wärmelehre Chemie Mechanik P = T · IS P = · In P = ·M Anschauliche Beschreibung: Ursache und Wirkung 1 2 Der Unterschied im chemischen Potenzial ist der Antrieb für einen Mengenstrom. (Rotation) Fünfer-Analogie: Antrieb Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand elektr. Widerstand Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand mechanischer Widerstand Stokessche Reibung Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Mechanik (Rotation) P = ·M Widerstand Reibungswiderstand bei Rotation Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Entropiewiderstand Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Mechanik (Rotation) P = ·M Widerstand Reaktionswiderstand Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In elektrische Kapazität Widerstand Kapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Masse als Impulskapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Trägheitsmoment als Drehimpulskapazität Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Entropiekapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Stoffkapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Elektrizitätslehre Mechanik (Translation) Wärmelehre Chemie mengenartige Größe Q S n zugehörige Stromstärke I IS In zugehörige intensive Größe , U T Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In Widerstand Kapazität Mechanik (Rotation) P = ·M Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Empfehlungen für den Unterricht: Elektrizi- Mechanik WärmeMechanik Chemie Im Anfangsunterricht die bildhafte Beschreibung (Rotation) lehre tätslehre (Translation) „Energie und Energieträger“ nutzen S n (nach undQnach Grenzen aufzeigen!) mengenartige Größe zugehörige IS In I Stromstärke Auf die Modellvorstellung „Antrieb – Strom – Widerstand“ zugehörige intensive , U TVorgänge anschaulich zurück greifen, um abstrakte Größe darstellen zu können Energiestromstärke (Leistung) P =U·I P = T · IS P = · In P = ·M Analogie der quantitativen Beschreibung durch Widerstand P = U·I und P = v·F (bzw. P = ·L) durch geeignete Versuche (z.B. mit dem Dynamot) aufzeigen Kapazität Versuche mit dem Dynamot zu P = U·I und P = v·F (bzw P = ·M) Dynamot-Energiebilanz Energiezufuhr: Energieabgabe: P = ·M P = v·F da Drehbewegung mit festem Radius P = U·I Versuche mit dem Dynamot zu P = U·I und P = v·F (bzw P = ·M) Dynamot-Energiebilanz Energiezufuhr bei 1 Lampe: P = v1·F1 Energieabgabe bei 1 Lampe: P = U1·I1 Versuche mit dem Dynamot zu P = U·I und P = v·F (bzw P = ·M) Dynamot-Energiebilanz Energiezufuhr bei 1 Lampe: P = v1·F1 Energiezufuhr bei 2 Lampen (parallel): Energieabgabe bei 1 Lampe: P = U1·I1 Energieabgabe bei 2 Lampen (parallel): P = v2·F2 P = U2·I2 v2 v1 F2 > F 1 U2 U1 I2 = 2·I1 Versuche mit dem Dynamot zu P = U·I und P = v·F (bzw P = ·M) Dynamot-Energiebilanz Energiezufuhr bei 1 Lampe: P = v1·F1 Energiezufuhr bei 2 Lampen (in Reihe): Energieabgabe bei 1 Lampe: P = U1·I1 Energieabgabe bei 2 Lampen (in Reihe): P = v2·F2 P = U2·I2 v2 > v1 F2 F1 U2 = 2·U1 I2 = I1 Empfehlungen für den Unterricht: Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Im Anfangsunterricht die bildhafte Beschreibung Elektrizi- Mechanik Wärme„Energie und Energieträger“ nutzen Chemie Mechanik (Rotation) lehre tätslehre (Translation) (nach und nach Grenzen aufzeigen!) mengenartige Größe Q S n Auf die Modellvorstellung zugehörige „Antrieb –I Strom – Widerstand“ IS In Stromstärke zurück greifen, um abstrakte Vorgänge anschaulich zugehörige darstellen intensive , zu U können T Größe Energiestrom Analogie Beschreibung stärke P =der U · Iquantitativen P= T · IS P = · Indurch P = ·M (Leistung) P = U·I und P = v·F (bzw. P = ·L) durch geeignete Versuche (z.B. mit dem Dynamot) aufzeigen Widerstand Kapazität Empfehlungen für den Unterricht: Fünfer-Analogie: Antrieb – Widerstand - Kapazität Im Anfangsunterricht die bildhafte Beschreibung Elektrizi- Mechanik Wärme„Energie und Energieträger“ nutzen Chemie Mechanik (Rotation) lehre tätslehre (Translation) (nach und nach Grenzen aufzeigen!) mengenartige Größe Q S n Auf die Modellvorstellung zugehörige „Antrieb –I Strom – Widerstand“ IS In Stromstärke zurück greifen, um abstrakte Vorgänge anschaulich zugehörige darstellen intensive , zu U können T Größe Energiestrom Analogie Beschreibung stärke P =der U · Iquantitativen P= T · IS P = · Indurch P = ·M (Leistung) P = U·I und P = v·F (bzw. P = ·L) durch geeignete Versuche (z.B. mit dem Dynamot) aufzeigen Widerstand Kapazität Im Kurssystem andeuten, dass sich die Idee der Kapazität verallgemeinern lässt
