physik, 3 - Physikunterricht.at

PHYSIK, 3. Klasse
Wärmelehre (Thermodynamik)
Was ist Wärme?
Wärme ist die Bewegungsenergie (=kinetische Energie) der Teilchen eines Stoffs. Wenn sich
die Teilchen schneller bewegen, steigt die Temperatur. Werden die Teilchen langsamer,
verliert er an Wärme, er kühlt ab. Nur am absoluten Nullpunkt (ca. –273 °C) bewegen sich die
Teilchen gar nicht mehr!!!
(Skizze!)
Temperaturskalen: Celsius – Kelvin: absolute Nullpunkt (-273 °C) = 0 Kelvin, 1 Grad Celsius
Temperaturunterschied = 1 Kelvin Temperaturunterschied
(Zahlenstrahl grafisch!)
z.B. 73 Kelvin = ? °C
10°C = ? K
Wie wird Wärme transportiert?
3 Arten:

Wärmeleitung

Wärmeströmung

Wärmestrahlung
a) Bringt man zwei Gegenstände mit unterschiedlicher Temperatur zusammen, geben die
schnelleren Teilchen des wärmeren Körpers einen Teil ihrer kinetischen Energie an die
Teilchen des kälteren Körpers ab. Geht dies schnell vor sich, handelt es sich um einen guten
Wärmeleiter (z.B. Metalle). Schlechte Wärmeleiter (=Wärmeisolatoren) sind z.B. Glas, Holz,
Wolle, Schnee, sowie Flüssigkeiten und Gase.
Versuch: „Wärme fühlen“
Versuch: „Wachsscheiben“
Anwendung: Wärmedämmung (siehe Buch) – wichtigster Beitrag zum Energiesparen
Versuch: „Warm verpackt“
Versuch: „Thermosflasche“
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b) Wärme kann sich auch durch Wärmeströmung ausbreiten. Dabei bewegen sich die
Teilchen selbst fort, dies ist deshalb nur in Flüssigkeiten und Gasen möglich.
Versuch (rechteckige Glasröhre zeichnen): Modell einer Warmwasserheizung: Wasser
erwärmt sich (Dichte wird geringer), die Wasserteilchen steigen von den erhitzten Stellen des
Glases auf. Auf der anderen Seite sinkt das kältere, schwerere Wasser wieder zu Boden –
Kreislauf!!!
Versuch: „Schlangentanz“
c) Sind keine Teilchen an der Ausbreitung von Wärme beteiligt, geschieht dies durch
Wärmestrahlung (Infrarot). Sie ist genauso wie Licht eine Form von elektromagnetischer
Strahlung, hat aber eine größere Wellenlänge (kleinere Frequenz).
Jeder Körper gibt Wärmestrahlung entsprechend seiner Temperatur ab. Wie viel
Wärmestrahlung ein Körper aufnimmt (absorbiert), hängt von seiner Oberfläche ab: Körper
mit dunkler und matter Oberfläche absorbieren mehr Wärmestrahlen als solche mit heller und
glänzender Oberfläche (diese reflektieren die Strahlung größtenteils.)
Die Strahlungsenergie der Sonne kann direkt mit Hilfe von Sonnenkollektoren genutzt
werden. Dabei erwärmt die Sonne das Wasser im Rohrsystem des Kollektors, das dann direkt
als Warmwasser verwendet werden kann.
Die Einheit der Wärmeenergie ist Joule (J). Für die Erwärmung von 1 kg Wasser um 1 °C
sind 4200 J erforderlich (sehr viel!!!) – Wasser lässt sich nur unter hohem Energieaufwand
erwärmen, gibt die gespeicherte Wärmeenergie aber auch schwer ab. – Man sagt: Wasser hat
eine hohe „spezifische Wärmekapazität“.
? Wie viel Wärmeenergie ist erforderlich, um 5 kg Wasser von 10 auf 100°C zu erwärmen?
Versuch: „Erwärmung am Fensterbrett“
schriftliche Lernzielkontrolle
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Zustandsänderung von Stoffen
3 physikalische Zustände (Aggregatzustände) eines Stoffes:

Fest – Teilchen haben ihren festen Platz, schwingen nur hin und her; starke
Anziehungskräfte

Flüssig – Teilchen gegeneinander verschiebbar, keine feste Form

Gasförmig – Teilchen sehr weit auseinander, es wirken fast keine Kräfte zwischen
ihnen
(Skizze!)
Im Alltag können wir oft beobachten, wie ein Stoff von einem Zustand in einen anderen
übergeht. Z.B.:
PARTNERARBEIT 10 Minuten lang überlegen und Ideen sammeln
Wasser im Kochtopf zum Sieden bringen; Beschlagen der kalten Fensterscheiben,
Nebelbildung,
Destillation
(Trennung von
Flüssigkeiten
durch
Verdampfung und
anschließender Kondensation), Nebelbildung, Eiswürfel schmelzen
Geht ein Aggregatzustand in den anderen über, bezeichnet man dies als Phasenübergang.
(Skizze mit Pfeilen!)
Fürs Schmelzen, Verdampfen und Sublimieren ist Energie erforderlich, beim Erstarren,
Kondensieren und Resublimieren wird Energie abgegeben!
Verdampfen, Verdunsten und Sieden
Versuch: „Ganz schön föhnig“
... sind Ausdrücke für den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand.
Verdunstung findet auch bei Temperaturen unter dem Siedepunkt statt (z.B. Wasserpfütze
verschwindet allmählich). Da dazu Energie benötigt wird, wird dem Körper Wärme entzogen
(Kältegefühl nach dem Duschen, ...). Beschleunigt werden kann die Verdunstung durch
Erhöhung der Temperatur und durch Entfernung der Dampfschicht über dem Körper (z.B.
Pusten auf heiße Suppe, Wäsche wird bei Wind leichter trocken).
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V: Sieden
Bringt man Wasser zum Sieden, entstehen Blasen, die aus gasförmigen Wasser
(=Wasserdampf) bestehen.
Kondensation („Verflüssigung“)
Will man ein Gas kondensieren, so kühlt man es ab.
Versuch: „Sonnenbetriebener Wasserreiniger“
Versuch: „Wolken erzeugen“
Wieso braucht man zum Schmelzen und Verdampfen Energie?
(Skizze!)
Auch durch eine Änderung des Druckes kann man Phasenübergänge bewirken. So kann man
z.B. Gase durch Druckerhöhung flüssig machen.
Jeder Stoff hat bei konstantem Druck (hier: 1 atm = „normaler Luftdruck“) seinen
spezifischen (= für ihn typischen) Schmelz- und Siedepunkt.
z.B.
Wasser
Schmelzpunkt = 0°C, Siedepunkt = 100°C
Gold
Schmelzpunkt = 1063°C, Siedepunkt = 2808 °C
Helium
Siedepunkt = -269°C (kein Schmelzpunkt – He wird unter normalem
Luftdruck nie fest)
(Zahlenstrahl!)
Salzwasser hat einen tieferen Schmelzpunkt als normales Wasser!
Versuch: „Eiswürfel angeln“
Versuch: „Zuckerwasser“
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Volumsänderungen bei Phasenübergängen
V: Paraffin (=“Wachs“) zum Schmelzen bringen, dann erstarren lassen – das Volumen wächst
beim Schmelzen, beim Erstarren wird es kleiner!
So wie Paraffin verhalten sich die meisten Stoffe, Wasser hingegen dehnt sich beim Gefrieren
aus, beim Schmelzen wird sein Volumen kleiner.
Versuch: „Der schmelzende Eiswürfel“
Bei genauerer Untersuchung erkennt man, dass Wasser bei 4°C sein kleinstes Volumen (und
damit seine größte Dichte) hat. Dieses Phänomen bezeichnet man als Anomalie des Wassers.
Dies hat große Auswirkungen auf unsere Natur: So frieren stehende Gewässer von oben zu,
da das Eis wegen seiner geringeren Dichte schwimmt und als Schutzdecke wirkt.
(Skizzen!)
schriftliche Lernzielkontrolle
Wetter und Klima (Meteorologie/Klimatologie)
Alle Energie, die wir auf der Erde nutzen, kommt (direkt oder indirekt) von der Sonne. Durch
die Sonneneinstrahlung werden u. a. bewirkt:
 Wasserkreislauf
 Winde
 Fotosynthese der Pflanzen
 Existenz fossiler Energieträger (Kohle, Erdgas, Erdöl)
Was ist die Sonne überhaupt?
= Stern, der die Energie für die Strahlung aus der Verschmelzung von Wasserstoff und
Helium nimmt („Kernfusion“)
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Erwärmung der Luft durch die Sonne geschieht nicht direkt, sondern erst nach Absorption der
Strahlung vom Erdboden. Die Luft wird dann durch Wärmeaustausch mit dem Erdboden
erwärmt. Weil in klaren Nächten die Abstrahlung vom Erdboden besser funktioniert als bei
bewölktem Himmel, isst es in wolkenlosen Nächten besonders kalt.
Das Wettergeschehen spielt sich in der untersten Schicht der Atmosphäre ab (Troposphäre,
bis 10-16 km über dem Erdboden).
Wie misst man die Temperatur der Luft?
mit Hilfe eines Thermometers an einem Ort, der von der direkten Sonneneinstrahlung
geschützt ist (Wetterhütte).
Gruppenarbeit:
 Woraus besteht Luft? Gibt es Luft im Weltall?
 Wie entsteht der Wind?
 Was sind Isobare?
 Was ist ein Hoch/Tief?
 Was ist eine Warm-/Kaltfront?
 Wieso bilden sich Wolken? Wie sieht eine Gewitterwolke aus und was geht in ihrem
Inneren vor sich?
 freie Frage
Interpretieren von Wetterkarten
Folie(n) Wetterkarte + Symbole erklären
Vortrag Thommi: ORF-Wetterredaktion + Prognose
Arbeitsblatt Treibhauseffekt
Gruppenarbeit: Zeitungsartikel zum Thema Klimaschutz + Präsentation + Diskussion
Film: „Klima an der Kippe“ + Arbeitsblatt
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Elektrizitätslehre
1. Elektrostatik: ruhende Ladungen
2. Elektrodynamik: Ladungen bewegen sich (Strom fließt)
1. Elektrostatik: im alten Griechenland an Bernstein (gr. ) entdeckt
Versuch: Luftballon reiben, zieht Haare an (Zeichnung?)
Versuch: Glasstab mit Fell reiben, zieht kleine Papierschnitzel an
Durch Reibung werden die positiven von den negativen Ladungen getrennt! SKIZZE
Eigenschaften von Ladungen
 Es gibt zwei Arten elektrischer Ladungen positiv (Elektronenmangel) und negativ
(Elektronenüberschuss)
 Ladung kann nicht erzeugt werden (sie ist wie die Masse und die Energie eine
Erhaltungsgröße) – geladene Körper erhält man nur durch Trennung der Ladungen
 Geladene Körper üben Kräfte aufeinander aus (größer als die Schwerkraft)
 Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
 Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
 Elektrische Isolatoren (z.B. Kunststoff, Luftballon) können durch Reibung geladen
werden.
 Ungleichnamige gleichstarke Ladungen heben einander auf.
Elektroskop: Gerät zum Messen elektrischer Ladungen SKIZZE
Jeden geladenen Körper umgibt ein elektrisches Feld. Nähert man einen (negativ) geladenen
Luftballon trockenen Haaren (ohne diese zu berühren), so werden durch das elektrische Feld
des Luftballons die Ladungen in den Haaren getrennt.
INFLUENZ = Ladungstrennung durch ein elektrisches Feld (ohne Berührung)
Ladungstrennung kann also durch Reibung oder Influenz geschehen.
Kräftige Ladungsausgleiche treten bei Blitzen auf:
Folie: Ladungstrennung in Gewitterwolke
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Woher kommen elektrische Ladungen?
Jeder Körper besteht aus Atomen.
Periodensystem zeigen!
 Silber – Silberatome
 Wasser – Aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen
 Kochsalz – Aus Natrium- und Chloratomen
Im Inneren dieser Atome gibt es einen winzigen, positiv geladenen Kern (mit Neutronen und
Protonen) und eine negativ geladene Hülle (mit Elektronen). Diese Elektronen sind die Träger
der kleinsten negativen elektrischen Ladung – Sie sind die Ursache für Elektrostatik und
Elektrodynamik (Elektronen fließen).
schriftliche Lernzielkontrolle
2. Elektrodynamik:
Einschub: Arbeiten mit Schülerversuchskästen

in 4 Gruppen teilen (bleiben für einige Wochen gleich)

nichts beschädigen und 2 min. vorm Läuten wegräumen!

gemeinsam Teile besprechen (v.a. Messgerät, Lämpchen, Batterie + Spannung
mit Messgerät testen)

Jede(r) schreibt Protokoll (inkl. Schaltplan, Ablauf + Ergebnis)

SVK 1: Baue einen einfachen und einen komplizierteren Stromkreis! Zeichne mit Farbstift
den Weg der Elektronen ein.
Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer Stromquelle (z.B. Batterie), einem Verbraucher
(z.B. Glühlampe), Leitungen (z.B. Kabel) und einem Schalter.
Eigentlicher Weg der Elektronen: von Minus zu Plus!
ABER technische Stromrichtung: von Plus zu Minus!
Die elektrische Spannung
Die elektrische Spannung gibt an, wie sehr sich die Pole ausgleichen wollen.
Symbol U, Einheit V
z.B. UBatterie=1,5 V
UBlockbatterie=4,5 V (besteht aus 3 hintereinander geschalteten 1,5 V Batterien)
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Folie und Arbeitsblatt: Wie funktioniert eine Spannungsquelle? (dwu)
SVK 2: Wechselschalter E 1.2. (Schaltskizze + „Einen Wechselschalter verwendet man, ...“)
SVK 3: Leiter + Nichtleiter (=Isolatoren) E 1.7. (+1.8.) (Schaltskizze + Tabelle LeiterNichtleiter)
Alle Leiter sind Stoffe, die über frei bewegliche Ladungsträger verfügen (z.B. Elektronen in
Metallen). Skizze mit Metallgitter und frei beweglichen Elektronen
Stoffe, deren Elektronen nur schwer verschiebbar sind, heißen Nichtleiter oder Isolatoren.
Die elektrische Stromstärke
... ist ein Maß dafür, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fließen.
Symbol: I, Einheit: Ampere
Folie und Arbeitsblatt: Die elektrische Stromstärke (dwu)
SVK 4: Wir messen die Stromstärke in einem Stromkreis E 1.6. (Schaltskizze)

Die elektr. Stromstärke ist an allen Stellen eines unverzweigten Stromkreises gleich
groß.

Verbraucht wird nicht elektrischer Strom, es passiert nur eine Energieumwandlung
(elektr. Energie in Wärme/Lichtenergie)

Strommessgerät=Amperemeter

Damit man die Stromstärke messen kann, muss das Amperemeter in Reihe geschaltet
werden („so dass die Elektronen durch das Messgerät müssen“)
Messung von Stromstärke und elektrischer Spannung
a) Messung der Stromstärke: Einheit: Ampere; Messgerät: Amperemeter/Multimeter;
Ein Amperemeter muss vor oder hinter den Verbraucher, also direkt in den
Stromkreis, geschaltet werden („in Serie“). SKIZZE
b) Messung der Spannung: Einheit: Volt; Messgerät: Voltmeter/Multimeter;
Ein Voltmeter muss parallel zum Verbraucher geschaltet werden. SKIZZE
Kärtchenspiel Gleichstromkreise, dazu Kurzschluss erklären
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Der elektrische Widerstand
Symbol: R
Einheit: Ohm („Omega“)
Jeder Verbraucher (z.B. Glühlampe, Elektrogerät) hat einen bestimmten elektrischen
Widerstand. Er gibt an, „wie schwer es für die Elektronen ist, hindurchzufließen“. Bei
Isolatoren ist der Widerstand sehr groß (Strom kann nur sehr schwer durch).
Spezielle Bauteile, die einen hohen Widerstand haben (z.B. 100 Ohm, 1 kOhm bei den
Steckkästen) werden in Stromkreisen verwendet, um die Stromstärke zu begrenzen.
SKIZZE eines Bausteins
Einschub: Aufstellen und Interpretieren einer physikalischen Formel
Wovon hängt der Widerstand eines Drahtes ab?
-
spezifischer Widerstand rho: Je größer der materialtypische Widerstand, desto größer
ist der Widerstand unseres Drahtes
-
Länge l: Je GRÖßER die Länge, desto geringer ist die Stromstärke, der Widerstand ist
also größer
-
Querschnittsfläche A: ZEICHNUNG : Je KLEINER die Querschnittsfläche, desto
größer ist das „Hindernis“, also der Widerstand
----- R= rho*l/A + Bedeutung
Wie hängen Spannung, Widerstand und Stromstärke zusammen?
Vermutung:
Je größer der Widerstand, desto kleiner ist die Stromstärke (bei gleicher Spannung).
Je kleiner der Widerstand, desto größer ist die Stromstärke (bei gleicher Spannung).
Ohm-Versuch mit 100 Ohm und 500 Ohm
Spannung U
Widerstand R
Stromstärke I
10 Volt
100 Ohm
0,1 A
10 Volt
500 Ohm
0,02 A
20 Volt
100 Ohm
0,2 A
20 Volt
500 Ohm
0,04 A
------ I =U/R Ist der Widerstand eines Körpers bekannt, so kann bei bekannter Spannung
die Stromstärke berechnet werden!
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Andere Arten, das Ohm’sche Gesetz anzuschreiben:
U=I*R, R=U/I
Rechenbeispiele:
1. Ein Lämpchen einer Taschenlampe hat einen Widerstand von 20. Berechne die
Stromstärke bei einer Spannung von 4 Volt. --- 0,2 A
2. Wie groß muss die Spannung gewählt werden, damit in einer Lampe mit 733
Widerstand die Stromstärke 0,3 A beträgt? ---220 V
3. Wie groß ist der Widerstand eines Lämpchens mit der Aufschrift: 6V, 0,5A? - 12
Fragen 16-24 auf s. 67 beantworten
Versuch: Körperfettmessung + Erklärung (Kopie aus Dorner-Physik)
Abschluss: Spiele zur Wiederholung (PinPhysics, Bandolino, Puzzles...)
schriftliche Lernzielkontrolle
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