Lehrermaterial Physik 7 duden paetec
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Physik Level 7 Lehrermaterial Sachsen Gymnasium für ISBN 3-89818-343-2 Autoren: Siegfried Albien PD Dr. habil. Barbara Gau Günter Kunert Prof. Dr. habil. Lothar Meyer Dieses Werk enthält Vorschläge und Anleitungen für Untersuchungen und Experimente. Vor jedem Experiment sind mögliche Gefahrenquellen zu besprechen. Die Gefahrstoffe sind durch die entsprechenden Symbole gekennzeichnet. Experimente werden nur auf Anweisung des Lehrers durchgeführt. Solche mit Gefahrenquellen dürfen nur unter Aufsicht des Lehrers oder der Eltern durchgeführt werden. Beim Experimentieren sind die Richtlinien zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht einzuhalten. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Das Wort Duden ist für den Verlag Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG als Marke geschützt. 1. Auflage 2005 Alle Drucke dieser Auflage können im Unterricht nebeneinander benutzt werden. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr dieses Druckes. © 2005 DUDEN PAETEC GmbH, Berlin Internet: www.duden-paetec.de Redaktion: PD Dr. habil. Barbara Gau Layout: Michael Iden Grafiken: Michael Iden ISBN 3-89818-345-9 Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 – 10 . . . . . . . 3 3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Klasse 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1 Lernbereich 1: Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1.1 Mechanische Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1.2 Magnetische Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.1.3 Elektrostatische Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.2 Lernbereich 2: Stromstärke und Spannung in Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.1 Elektrische Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.2 Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Lernbereich 3: Energiewandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3.1 Energie, Energieformen und Energieumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3.2 Mechanische Energie und mechanische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 7 Aufgaben des Arbeitsheftes mit Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klasse 7 sollen dem Lehrer Anregungen für seinen Unterricht geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und -durchführung ermöglichen. Die Empfehlungen und Materialien sind abgestimmt mit dem – Lehrbuch Level Physik, Klasse 7, SN G, PAETEC Verlag für Bildungsmedien ISBN 3-89818-343-2 – Arbeitsheft Level Physik, Klasse 7, SN G, PAETEC Verlag für Bildungsmedien ISBN 3-89818-344-0 oder ISBN 3-89818-333-5 (einschließlich CD-ROM) Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe I sind zu empfehlen: – Basiswissen Schule Physik. Verlage PAETEC und DUDEN. ISBN 3–89818–010–7 – Formelsammlung bis Klasse 10. PAETEC Verlag für Bildungsmedien. ISBN 3–89818–710–1 (Festeinband mit CD–ROM) oder ISBN 3–89818–715–2 (Broschur) – Formelsammlung bis zum Abitur Formeln, Tabellen, Daten (einschließlich CD–ROM) ISBN 3–89818–700–4 – Formeln und Tabellen für die Sekundarstufe I und II ISBN 3–89517–253–7 (Print) oder ISBN 3–89517–624–9 (einschließlich CD–ROM) Darüber hinaus sind folgende Lehrermaterialien für die Sekundarstufe I zu empfehlen: – Kopiervorlagen Schüleraktiver Physikunterricht mit Arbeitsblättern für die Sekundarstufe I ISBN 3–89517–328–2 (Print) oder ISBN 3–89517–329–0 (CD–ROM) – Kopiervorlagen Experimentieranleitungen Sekundarstufe I ISBN 3–89517–740–7 (Print) ISBN 3–89517–768–7 (CD–ROM) Über das gesamte Angebot des DUDEN PAETEC Schulbuchverlages können Sie sich im Internet unter folgender Adresse informieren: http://www.duden-paetec.de Nachschlagewerke für die Schüler sind zu finden unter http://www.schuelerlexikon.de Das vorliegende Material enthält: – eine Übersicht über den Physikunterricht in der Mittelschule, – einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan, – konkrete Unterrichtsmaterialien (Tafelbilder, Kopiervorlagen, Arbeitsblätter, Experimente, Projekte), – Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches, – die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben des Lehrbuches, – die Lösungen aller Aufgaben des Arbeitsheftes. Das gesamte Material ist so gestaltet, dass es der Lehrer entsprechend seiner Erfahrungen und den spezifischen Bedingungen ergänzen, präzisieren oder umordnen kann. Die vorliegende Form ermöglicht auch schnelle und kostengünstige Ergänzungen und Präzisierungen. Für Anregungen, Vorschläge für konkrete Unterrichtsmaterialien, Kritiken und Hinweise ist der DUDEN PAETEC Schulbuchverlag immer dankbar. Stromstärke und Spannung in Stromkreisen (18 Std.) Die elektrische Stromstärke Die elektrische Spannung Energiewandler (10 Std.) Energie, Energieformen und Energieumwandlungen Mechanische Energie und mechanische Leistung Körper, Dichte der Stoffe, Bewegungen (14 Std.) Körper und Stoff Volumen, Masse und Dichte Bewegungen und ihre Beschreibung Temperatur und Zustand von Körpern (14 Std.) Temperatur und Temperaturmessung Volumen- und Längenänderung von Körpern Aggregatzustände und ihre Änderungen Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht 3 Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Kraftwandler – früher und heute Elektrische Schaltungen Vom Fliegen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Sehen und Fotografieren Wärmedämmung Farben Elektrische Stromkreise (5 Std.) Elektrischer Strom und seine Wirkungen Elektrische Stromkreise Kräfte (22 Std.) Mechanische Kräfte Magnetische Kräfte Elektrostatische Kräfte Klasse 7 (2 Std.) Licht und seine Eigenschaften (17 Std.) Ausbreitung des Lichts Reflexion des Lichts Brechung des Lichts Bildentstehung an Sammellinsen und optische Geräte Klasse 6 (2 Std.) Energieversorgung (18 Std.) Energiebereitstellung in Kraftwerken Elektromagnetische Induktion Kernenergie Grundlagen der Elektronik (9 Std.) Eigenschaften von Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor Leitungsmechanismen in Halbleitern Klasse 9 (2 Std.) Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Vom Ballonfahren Kühlschrank und Wärmepumpe Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Selbstständiges Experimentieren (8 Std.) Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Natürliche Radioaktivität Energie von Wind und Sonne Bewegungen auf gekrümmten Bahnen Physikalisches Praktikum (7 Std.) Eigenschaften elektrischer Bewegungsgesetze (16 Std.) Bauelemente (15 Std.) Kinematische Bewegungsgesetze Der elektrische Widerstand Newtonsche Gesetze Widerstandsgesetz Kennlinie von Bauelementen Elektrische Energie und Leistung Thermische Energie (15 Std.) Thermische Energie und Wärme Übertragung von Energie Wärmekraftmaschinen Mechanik der Flüssigkeiten und Gase (12 Std.) Der Druck Schweredruck in Flüssigkeiten Auftrieb Luftdruck Klasse 8 (2 Std.) Gymnasium Klasse 10 (2 Std.) Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Fernrohre Kommunikation mit elektronischen Medien Fernsehbildtechnik Physikalisches Praktikum (6 Std.) Hertzsche Wellen (7 Std.) Eigenschaften und elektromagnetisches Spektrum Licht als Strahl und Welle (9 Std.) Brechungsgesetz, Dispersion und Farbzerlegung Beugung und Interferenz Kosmos, Erde und Mensch (18 Std.) Sonnensystem, Sterne, Sternsysteme Orientierung am Himmel Weltbilder Erkenntnismethoden in der Astronomie Mechanische Schwingungen und Wellen (10 Std.) Beschreiben mechanischer Schwingungen Beschreiben mechanischer Wellen Schallwellen 2 Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 – 10 4 1 Wirkungen der Kraft Kennen der physikalischen Größe Kraft Kraft als Wechselwirkungsgröße Kraft als Größe zur Beschreibung von Einwirkungen auf Körper Mechanische Kräfte 14 1 Lernbereich 1: Kräfte Einführung in die Inhalte des Physikunterrichts der Klasse 7 1 22 Inhalte DE zur Bewegungsänderung z.B. mit Fahrzeugmodellen, Bewegungsänderung bei Verkehrsmitteln, Raketen usw. DE zur plastischen und elastischen Formänderung Auftreten und Beobachten wirkender Kräfte in Natur und Technik, historische Betrachtungen Bewusstmachen, dass beim Einwirken von Körpern aufeinander Kräfte wechselseitig wirken, Abgrenzung des Begriffs gegenüber der Umgangssprache DE Wechselwirkungen von Körpern Formelzeichen, Einheit, Vorstellungen zur Einheit 1 N entwickeln Erläuterungen zu physikalischen Sachverhalten an Spielzeugen z.B. Kranmodell, Puppenstubenbeleuchtung, Fahrradbeleuchtung DE Energieumwandlungen Belehrung über das Verhalten im Fachraum Methodische Hinweise Lehrbuch Level Physik 7 SN G. PAETEC Verlag 2004. ISBN 3-89818-343-2 Arbeitsheft Level Physik 7 SN G. PAETEC Verlag 2004. ISBN 3-89818-344-0 Schülerexperiment Demonstrationsexperiment Wiederholung aus anderen Lernbereichen oder anderen Fächern Stunden zahl LB AH SE DE Wh Es werden folgende Abkürzungen verwendet: 3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Klasse 7 Modelleisenbahn, Automodelle; Knetmasse oder Ton, Kupferdraht, Ball, Blatt- und Schraubenfedern, Blattfeder, Gummi Bilder oder Videosequenzen 2 Skatboards, Luftkissenbahn, Magnete, Federkraftmesser LB S. 6–32 AH S. 1–8 LB S. 6–59 AH S. 1–12 Kindersachbücher Realobjekte Geräte für die Darstellung unterschiedlicher Energieumwandlungen Hinweise auf Lehr- und Lernmittel 5 2 Kennen des hookeschen Gesetzes Zusammenhang zwischen angreifender Kraft und Verlängerung einer Feder Motivierung für genauere Untersuchung der Wirkungsweise eines Kraftmessers SE Verlängerung einer Schraubenfeder durch die Gewichtskraft von Hakenkörpern Anwenden von mathematischen Auswertungsverfahren (Interpretieren von Diagrammen, Quotientenvergleich) und von Tabellenkalkulationsprogrammen zum hookeschen Gesetz Zustand der Schwerelosigkeit vereinfacht als Gewichtslosigkeit erklären, Verhalten von Astronauten in der Raumstation erörtern SE Gewichtskraft von Hakenkörpern (auf der Erde), dabei Ortsfaktor g = 10 N/kg (Näherung) erarbeiten Ortsfaktor Schwerelosigkeit Erdanziehung auf alle Körper bewusst machen Festlegung der physikalischen Bedeutung des Begriffs Gewichtskraft Abgrenzung zum umgangssprachlichen Inhalt des Begriffs Gewicht (Bezug zur Masse Klasse 6) Gewichtskraft als ortsabhängige Größe bewusst machen Gewichtskraft als Wirkung eines Körpers auf eine Unterlage oder an einer Aufhängung infolge der Erdanziehung 1 Masse als Größe zur Beschreibung einer ortsunabhängigen Körpereigenschaft, Gewichtskraft als Wechselwirkungsgröße, Ortsfaktor auf Mond und anderen Himmelskörpern, Erörtern der unterschiedlichen Gewichtskraft des gleichen Körpers (gleiche Masse) Übungen Darstellen von Kräften durch Pfeile 1 Unterscheidung von Masse und Gewichtskraft DE Zeigen, dass Kraftwirkung von Betrag, Richtung und Angriffspunkt am Körper abhängen (Kraft als gerichtete Größe) Abhängigkeit der Wirkung von Kräften 1 Messprinzip, Vorstellen verschiedener Kraftmesser, darunter Kraftmesser für SE Übungen im Ablesen verschiedener Skalen (Wh aus Kl. 6) Kraftmessgerät Berichte über Formänderungen an Werkstücken aus dem Technikunterricht, Federn Kraftmesser mit sichtbarer Feder Videosequenz Federkraftmesser, Hakenkörper Globus, kleine Figurenmodelle lange Blattfeder, Kraftmesser verschiedene Kraftmesser Exponate aus dem Technikunterricht, Federn 6 Bewusstmachen von erwünschter und unerwünschter Reibung zwischen Körpern an praktischen Sachverhalten Herausarbeiten, dass Einwirkung zweier Körper aufeinander bei Bewegung erfolgt Übertragen der Kenntnisse über Kräfte auf Reibung Reibungskraft als bewegungshemmende Kraft Reibungsarten Abhängigkeit der Gleitreibungskraft 2 1 1 praktische Maßnahmen zur Verringerung von Reibung bei Maschinen (Kugellager, Schmierung), Erörtern der Einführungsbeispiele Wintersport und Straßenverkehr SE Abhängigkeit der Gleitreibungskraft von Normalkraft (Gewichtskraft) und Beschaffenheit der reibenden Flächen SE Vergleich von Gleit- und Haftreibungskraft, sowie Gleit- und Rollreibungskraft SE Untersuchen des Zusammenhangs von Krafteinsparung und Kraftarmlänge Interpretieren der Gleichung F1· l1 = F2 · l2 Inhaltliches Lösen von Aufgaben, u. a. zu den Einführungsbeispielen Hinweis auf feste Rolle als zweiseitiger, gleicharmiger Hebel und lose Rolle als einseitiger Hebel mit doppelt langem Kraftarm Hebelgesetz 1 DE Kraftumwandlung mit Hebeln (Anheben eines schweren Gegenstandes) Begriffe am Hebel (Kraft der Last – Lastarm, Kraft – Kraftarm, Drehachse) Verdeutlichen weiterer technischer und biologischer Beispiele als Hebel (Flaschenöffner, Scheren, Zangen, Nussknackerfiguren, Brechstangen, Kranausleger, Krebszangen, usw.), dabei Unterscheiden von Hebelarten Anwenden des Hebelgesetzes auf Dinge aus Alltag, Natur und Technik Der Hebel SE Selbstbau und Eichen eines Kraftmessers Anwenden auf die Wirkungsweise von Federkraftmessern, dabei Übung zum Beschreiben und Erklären der Wirkungsweise eines technischen Geräts Physik-Klick: Verarbeiten von Messwerten mit einem Computer Rollschuhe, Luftkissenbahn, Schuhe mit Profilsohlen, Fahrradreifen Geräte für DE LB S. 21 Hebel Realobjekte Kiste, stabile Stange LB S. 39 LB S. 12/13 7 Einblick in die Darstellung magnetischer Felder gewinnen Magnetfeld als Raum um Magneten, in dem magnetische Kraftwirkungen erfolgen Feldlinien als Modell eines Feldes 1 DE Kräfte im Raum um Magnete, Nachzeichnen einer Linie, die Lage der Probemagnetnadel beim Umfahren des Magneten angibt Begriff Feldlinie Darstellen von Feldern mit eisernen Probekörpern, Feldlinienbilder und deren Deutung, zeichnerische Darstellung von Feldlinienbildern Türschließer, Magnet und Reedkontakt bei Alarmanlagen, Lasthebemagnet, Weichenstellantriebe bei Bahnen (ModelLBahnen), Schienenbremse bei Straßenbahnen, magnetisches Türschloss, Relais als elektrisch betätigter Schalter Elektromagnet 1 Anwendungen von Dauermagneten und Elektromagneten Drahtspule mit Eisenkern als abschaltbarer Magnet, Möglichkeit der Poländerung durch Stromrichtungsänderung Kennen der magnetischen Kraftwirkungen Dauermagnete, Begriffe 4 2 Vorstellen von Dauermagneten anziehende Kräfte auf Körper aus Eisen, Magnetpole als Stellen mit der größten Kraftwirkung SE Anziehende und abstoßende Kräfte bei Einwirkung zweier Magnete Unterscheidung von Nord und Südpol Erde als Magnet, Wirkungsweise des Kompasses SE Magnetisieren eines Nagels Magnetische Kräfte 2 Arbeit in Projekten Themenbereiche Reifenprofile, Aquaplaning, Straßenbelag, Schnee und Glatteis Anwenden der Kenntnisse über Kräfte auf Sachverhalte aus Alltag, Natur und Technik Projekt: Reibung im Straßenverkehr Stabmagnet, Magnetnadel, evtl. Overheadprojektor, Eisenfeilspäne Realobjekte, Geräte für Modellexperimente Geräte für DE Elektromagnete drehbar gelagerte Magnetnadel, Kompass verschiedene Dauermagnete und Körper aus ferromagnetischem Material Freihandexperimente LB S. 33– 46 AH S. 9–10 LB S. 23 LB S. 24–26 8 Ladungstrennung Vorstellen und Interpretieren von Feldlinienbildern (Analogie zu magnetischen Feldlinienbildern) Ladungstrennung als Ursache für die elektrische Ladung von Körpern und des Wirkens entsprechender Kräfte DE/SE Wirkungsweise eines Elektroskops Erklären der Motivierungsbeispiele DE/SE Kraftwirkung auf „Ladungsanzeiger“ (Nutzen der von Schülern hergestellten Ladungsanzeiger) Kern-Hülle-Modell des Atoms 2 Einblick in die Darstellung elektrostatischer Felder elektrisches Feld als Raum um elektrisch geladene Körper, in dem auf andere elektrisch geladene Körper Kräfte ausgeübt werden Klären der Ursache der elektrischen Ladung mit KernHülle-Modell des Atoms (Bezug zu Teilchenmodell Klasse 6), Elektron als Träger negativer elektrischer Ladung elektrische Ladung 1 1 SE Bau eines Ladungsanzeigers SE Ladungstrennung: Feststellen von anziehenden und abstoßenden Kräften, die nicht magnetischer Ursache sein können Ursachenfindung in elektrischer „Aufladung“, dazu auch DE Aufleuchten einer mit geriebener Folie berührten Leuchtstofflampe Bewusstmachen von positiver und negativer Ladung von Körpern wegen unterschiedlicher Kraftwirkungen beim Einwirken zweier geladener Körper (Analogie zu Gesetzen bei magnetischen Kraftwirkungen) Gesetzmäßigkeiten für anziehende und abstoßende Kraftwirkungen Kennen der elektrostatischen Kraftwirkungen elektrisch geladene Körper Motivierung mit Berichten über praktische Auswirkungen elektrostatischer Kräfte (Staubtücher, Staubwedel, Erscheinungen mit Kleidung aus Kunstfasern, Staub an Bildröhren und Schallplatten) DE/SE Haften geriebener Luftballons, Ablenkung eines feinen Wasserstrahls, u.ä. Elektrostatische Kräfte 4 Geräte für SE, elektrostatisches Reibzeug, Bandgenerator, Glimmlampe Anschauungsmaterial Leuchtstofflampe, Folie, Glimmlampe Luftballons, Plastikstäbe, Glasstäbe, Plastiklineale Realobjekte LB S. 47–59 AH S. 11–12 9 3 6 Einblick gewinnen in das Phänomen der Leitung in Metallen, Flüssigkeiten und Gasen Wesen des elektrischen Stroms Gesetze für Stromstärken in unverzweigten und verzweigten Stromkreisen Kennen der physikalischen Größe elektrische Stromstärke elektrische Stromstärke als Maß für die Anzahl der Ladungsträger, die sich in jeder Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters bewegen Elektrische Stromstärke 9 Wh Physik Klasse 6: Begriffe verzweigter und unverzweigter Stromkreis, Beispiele für Anwendungen SE Elektrische Stromstärke in unverzweigten und verzweigten Stromkreisen, Übungen und Berechnungen und Anwendungen zu den Gesetzen Vorstellungen über Stromstärken bei üblichen elektrischen Geräten entwickeln, Stromstärkebegrenzung in Stromkreisen mit Sicherungen, Leitungsschutzautomaten (Wh Wirkungen des elektrischen Stroms) Inhalt des Begriffs mit Modell der Elektronenleitung, Formelzeichen, Einheit, Messgerät und dessen Schaltung in den Stromkreis SE Messen elektrischer Stromstärken, dabei Regeln zum Umgang mit Vielfachmessgeräten SE Leitfähigkeitsuntersuchung (Wh Kl.6), dabei Reaktivierung Leiter und Isolatoren Feststellen der Leitfähigkeit in Metallen und Flüssigkeiten (Salzlösungen), dabei Umgang mit Experimentiergeräten reaktivieren DE Leitung in Gasen, Frage Was ist elektrischer Strom? herausarbeiten DE unterschiedlich geladene Kondensatorplatten mit Glimmlampe oder Metalldraht überbrücken und Elektroskop beobachten, Feststellen des Ladungsausgleichs evtl. Modellexperiment mit Probekörper, Klemmen der Spannungsquelle als unterschiedlich geladene Stellen deuten, Strom als gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (bei Metallen Elektronen) beschreiben Modell der Elektronenleitung in Metallen, Abgrenzung des Begriffs Strom zur Umgangssprache (dort Verwendung für elektrische Energie) Wh Physik Klasse 6, Lernbereich 4 Lernbereich 2: Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 18 LB S.74 Modellexperiment Geräte für DE und SE LB S. 60–71 AH S. 13–20 LB S. 60–83 AH S. 13–24 10 einschließlich fächerverbindendes Thema Energiewandler Mensch Lernbereich 3: Energiewandler Energie, Energieformen und Energieumwandlungen Kennen der Energie Energie als physikalische Größe 14 5 2 Energie als Voraussetzung für den Ablauf von natürlichen und technischen Vorgängen: Betreiben elektrischer Geräte, Dampfturbinen, Windgeneratoren, Solaranlagen, usw. Elektrische Quellen, Licht- und Wärmequellen zur Bereitstellung von Energie Systematisieren unter Nutzung von DE: Energie als Voraussetzung für mechanische Vorgänge (Bewegungsänderung, Verformung), Wärmeabgabe, Aussenden von Licht Formelzeichen, Einheit, Energiemessgeräte (Elektrizitätszähler, Heizkörpermessgerät) historische Experimente, Bau eines Volta-Elements, voltasche Säule Internetrecherchen Präsentieren von Informationen Projekt: Galvanische Spannungsquellen 2 SE Elektrische Spannung in unverzweigten und verzweigten Stromkreisen Übungen zu Anwendungen, Berechnungen zu Gesetzen komplexe Übungen zu Gesetzen für Stromstärken und Spannungen physikalischer Inhalt des Begriffs (Modell: Kraft auf Ladungsträger infolge Ladungsunterschied an den Polen der Quelle) Formelzeichen, Einheit, Messgerät und dessen Schaltung in den Stromkreis SE Messen elektrischer Spannungen, dabei Regeln für den Umgang mit Vielfachmessgeräten und Belastungsabhängigkeit der Spannung von Quellen feststellen Vorstellung zu Spannung verschiedener Quellen entwickeln, insbesondere Netzspannung, Monozelle, Fahraddynamo, Pkw-Batterie Gesetze für Spannungen in verzweigten und unverzweigten Stromkreisen Kennen der physikalischen Größe Spannung Elektrische Spannung als Antrieb des elektrischen Stroms Elektrische Spannung 4 2 8 reale Geräte Geräte für DE Modelle, reale Geräte, Bildmaterial LB S. 84–109 AH S. 25–30 LB S. 84–119 AH S. 25–31 LB S. 94/95 LB S. 76/77 Lichterketten, Dreh- und Schiebewiderstände, Fahrregler Modellautobahn verschiedene Spannungsquellen LB S. 72–83 AH S. 21–24 11 Mechanische Energie und mechanische Leistung 9 1 Einblick gewinnen in den Wirkungsgrad von Energiewandlern Wirkungsgrad von Energiewandlern Energieerhaltungssatz 1 Formelzeichen, Einheit Physikalische Größe mechanische Energie Berechnung der potenziellen Energie Erarbeiten der Abhängigkeiten der potenziellen Energie gehobener Körper, Gleichung zur Berechnung der potenziellen Energie (Epot = FG · h) Energieerhaltungssatz der Mechanik Anwendungen von Energieumwandlungen und –übertragungen: springender Ball mit DE, Achterbahn, gedämpftes Fadenpendel, Trampolin Anwenden des Gesetzes von der Erhaltung der Energie auf Beispiele aus der Mechanik Wirkungsgrad h als prozentualer Anteil der Nutzenergie Reibung als Ursache für Umwandlung in nicht nutzbare Energie bei Maschinen Mitteilen des Energieerhaltungssatzes und Informieren über historische Probleme seiner Durchsetzung, perpetuum mobile Energieumwandlungen beim Betrieb von Geräten und bei der Veredelung von Energie z.B. in Kraftwerken Entartung von Energie, Umwandlung der einem Gerät (einer Anlage) zugeführten Energie in Nutzenergie und nicht genutzte (entwertete) Energie Energieumwandlung und Übertragung 1 Beispiele für Energieformen und Energieträger: kinetische und potenzielle Energie, thermische Energie von Körpern höherer Temperatur, chemische Energie von Brennstoffen, Nahrung, elektrische Energie Kennen der Energieformen beim Beschreiben von Energieumwandlungen bzw. Energieübertragung Energieformen, Speicherung und Transport von Energie 1 Modell einer Pfahlramme Geräte für DE LB S. 110–119 AH S. 31–32 Geräte für DE 12 4 2 2 Das Thema orientiert sich an der im Lehrplan angegebenen Perspektive Individualität und Sozialität und enthält Elemente aus den thematischen Bereichen Gesundheit, Arbeit, Beruf und Umwelt. Die Schwerpunkte können unterschiedlich gesetzt werden. Es wird eine Abstimmung mit Biologie, Chemie und Mathematik empfohlen. Zusammensetzung von Nahrung, Erkundung des Energiegehalts von gängigen Nahrungsmitteln, Verbindung zur Mathematik: Grafische Darstellungen Grundumsatz und Leistungsumsatz: Die Schüler erhalten Hinweise auf Berechnungsmöglichkeiten und charakteristische Daten Stoff- und Energieumwandlung in Lebewesen, Bestandteile der Nahrung Energiebedarf des Menschen Themenbereiche: Energie aus dem Wind, Energie von der Sonne, Energiepark (Energie aus Sonne, Wind und Wasser), Energie aus Gezeiten Beschreiben der Energieumwandlungen in Wasserkraftwerken, Pumpspeicherkraftwerken, Wärmekraftwerken, Fahrzeugmotoren, Solaranlagen und Windkraftanlagen, Wirkungsgrade solcher Anlagen recherchieren Abgrenzung von Leistung in Physik und Sport Bestimmen der Leistung an einem Kranmodell Wettkampf: physikalische Leistung beim Treppensteigen, Klettern an der Kletterstange Leistung von Maschinen, Fahrzeugen, Geräten im Haushalt Gleichung zur Berechnung der Leistung P = --t- E DE unterschiedlich schnelles Heben von Körpern physikalischer Inhalt (Leistung als Maß für Schnelligkeit von Energieumwandlungen bzw. -übertragungen), Formelzeichen, Einheit Fächerverbindendes Thema: Mensch als Energiewandler Übertragen der Kenntnisse über Energieumwandlungen und Leistung auf neues Sachverhalte Projekt: Regenerative Energiequellen Berechnen der Leistung Kennen der physikalischen Größe Leistung Physikalische Größe Leistung Etiketten von Nahrungsmitteln LB S. 104–109 LB S. 98–100 Geräte für Übungen, Waage, Stoppuhren 13 Aus nachfolgenden inhaltlichen Vorschlägen kann ausgewählt werden. Analysieren von Abbildungen aus Geschichtsbüchern und in Kinderliteratur unter dem Aspekt der Krafteinsparung Verwendung von Seilmaschinen und geneigten Ebenen im Altertum, Untersuchung heutiger Anlagen (Kran, Straßenführungen in Gebirgen), evtl. Exkursion SE Untersuchungen an Rollen hinsichtlich der Kräfte und der zurückgelegten Wege Herausarbeiten der Goldenen Regel der Mechanik Vor- und Nachteile von Flaschenzügen unter der Sicht der Goldenen Regel und des Wirkungsgrades Wahlpflichtbereich 1: Kraftwandler – früher und heute Anwenden der Kenntnisse über kraftumformende Einrichtungen Goldene Regel der Mechanik Rollen und Seile geneigte Ebene und Schraube Drehmoment 2 2 4 Beispiele für Drehwirkungen durch Kräfte: Drehen von Schrauben mit Mutternschlüssel, Last an Kranausleger DE Abhängigkeit der Drehwirkung von Kraft und Kraftarm (M = F · l) Beurteilen der Angaben zu Drehmomenten an Akkubohrschraubern, Kfz-Motoren u.a. Bezug zu TuC Klasse 6, Lernbereich 1 DE Krafteinsparung beim Heben eines Körpers mittels einer geneigten Ebene, Erklären mit der Goldenen Regel SE Überprüfen der Gültigkeit der Goldenen Regel an der geneigten Ebene Schraube als „aufgewickelte“ geneigte Ebene Analysieren der Kräfte und Wege an einer Schraubzwinge oder an einem Schraubstock, archimedische Schraube Verbindung zur Biologie: Was heißt gesund? Was ist ausgewogen? Gesunde Ernährung, Folgerungen für die eigene Ernährung 4 Die Größe kann hier eingeführt werden. Vergleich Mensch-Maschine: Energiebilanz beim Menschen, Wirkungsgrade für verschiedene Tätigkeiten, Vergleich mit dem Wirkungsgrad von Maschinen Wirkungsgrad des Menschen Geräte für DE Schrauben, Mutternschlüssel Realgeräte Geräte für DE Rollen, Längenmessgeräte, Kraftmesser, Kranmodell LB S. 120–124 Nutzung des Internets zur Informationssuche: Aktuelle Ernährungstipps 14 Stromkreise mit Relais 2 Motivieren mit Notwendigkeit der Umkehrung der Schaltwirkung bei der Alarmanlage: Nutzung eines Relais mit Wechselkontakt (Wh LB 1) SE Aufbau einer Relaisschaltung mit Steuer- und Arbeitsstromkreis mit Ein- und Ausschaltfunktion, Einschalten eines Reedkontaktes in den Steuerstromkreis Analysieren des Stromkreises eines Bügeleisens, Untersuchung des Bimetallschalters (Wh Physik, Klasse 6, Lernbereich 3) SE Aufbau eines Modells eines Bimetallstreifens, Erklären seiner Wirkungsweise, Messgrößenwandlung Untersuchen der Funktionsweise eines Türkontaktes bei Alarmanlagen, Funktion eines Reedkontaktes unter Einfluss eines magnetischen Feldes SE Einbau eines Reedkontaktes in einen Stromkreis (Betätigung mit Magnet), Erkennen der Messgrößenwandlung Aus nachfolgenden inhaltlichen Vorschlägen kann ausgewählt werden. Wahlpflichtbereich 2: Elektrische Schaltungen Beherrschen des Aufbaus elektrischer Schaltungen Stromkreise mit Messgrößenwandlung Analysieren des Hinterrades des Fahrrades als Wellrad, Erkennen der Gültigkeit des Hebelgesetzes SE Kräfte am Wellrad oder DE Kräfte am Fahrrad Kraftänderung am Hinterrad durch Änderung der Kettenradgröße mit der Gangschaltung Wellrad 2 4 Analysieren von treibendem und getriebenem Rad eines Zahnradgetriebes: gleiche Kräfte an der Eingriffsstelle, unterschiedlich große Kraftarme Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu Hebeln, Abhängigkeit der Drehwirkung (Drehmoment) von Kraft und Kraftarm, Getriebe als Drehmomentenwandler (nicht Kraftwandler) Beurteilen der Fahrradgangschaltung unter der Sicht von Drehzahl- und Drehmomentenwandlung Getriebe Relais, Reedkontakte Geräte für SE Realgeräte demontierbares Bügeleisen LB S. 125–128 Geräte für SE/DE reale Objekte 15 Traum der Menschen vom Fliegen: Sage von Dädalus und Ikarus, Schneider von Ulm, Fluggeräte da Vincis, Otto Lilienthal, Vorbild Vögel Ablenkung strömender Luft am Drachen (Richtungsänderung der Luft) DE Kräfte und Gegenkräfte am Drachen (Wh Lernbereich 1) DE Abhängigkeit der Auftriebskraft vom Anstellwinkel Modell Stromlinie als Weg eines Probeteilchens (Bezug zu Lernbereich 1: elektrische Feldlinien) SE Erzeugen von Stromlinienbildern mit Flüssigkeiten und Löschpapier (Querschnitte von Flachkörpern, Kugel, Tragflächenprofil) Erkennen der Ablenkung der Strömung am Drachenprofil, Beobachten der Stromlinienverengung, Mitteilen, dass Stromlinienverengung auf geringere Kraft auf den Strömungskörper hinweist, Bestätigung mit DE Tischtennisball am Strömungsrand, aerodynamisches Paradoxon, Übertragung der Erkenntnisse auf Tragflächenprofil SE Nachweis des Auftriebs an selbst hergestellten Tragflächenprofilen, Einfluss des Anstellwinkels (oder DE) Erörtern von Start- und Flugphase beim Flugzeug Einblick gewinnen in den dynamischen Auftrieb beim Fliegen historische Entwicklung von Flugzeugen Auftrieb am Drachen Stromlinienbilder und ihre Deutung Auftriebskraft am Tragflügel 1 3 4 Aus nachfolgenden inhaltlichen Vorschlägen kann ausgewählt werden. Geräte für SE: Briefwaage, Tragflächenprofil Geräte für DE: Auftriebswaage, Tragflächenprofil Bilder oder Videos von Experimenten im Windkanal, Strömungswanne Geräte für DE: Auftriebs- und Widerstandswaage, flache Strömungskörper Bücher, Videos LB S. 129–133 Impulsrelais, Elektromotore SE/DE Nutzung eines Impulsrelais als Polwendeschalter zur Drehrichtungsumkehr bei Elektromotoren Wahlpflichtbereich 3: Vom Fliegen ModelLBahnrelais, Lichtsignale, Anfängerset ModelLBahn Geräte für SE Schaltung von Lichtsignalen mit Zugbeeinflussung auf ModelLBahnanlagen: Analysieren eines ModelLBahnImpulsrelais SE Aufbau der Steuerstromkreise, Nutzung eines Relaisumschalters für Signalfarbenumschaltung, Nutzung des anderen Relaisschalters für Schaltung des Unterbrechergleises Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung 4 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung – Knete wird verformt. – Ein Tonnenfuß fällt auf eine Feder und verformt sie (s. Skizze). Nachfolgend werden Empfehlungen zur Unterrichtsgestaltung gegeben und Materialien benannt. Diese Empfehlungen sind mit Darstellungen im Lehrbuch abgestimmt. Dabei wird keine Vollständigkeit angestrebt. Vielmehr geht es um ausgewählte Schwerpunkte und Materialien, die dem Lehrer unmittelbare Hilfe, Unterstützung und Anregung geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und –durchführung ermöglichen sollen. 4.1 Lernbereich 1: Kräfte 4.1.1 Mechanische Kräfte Der Begriff Kraft ist den Schülern aus der Umgangssprache bekannt, ebenso auch Wirkungen von Kräften. Im Physikunterricht sollte an diese Vorerfahrungen der Schüler angeknüpft werden, wobei es zunächst um eine Präzisierung der Begriffe und um eine Systematisierung von Vorkenntnissen geht. Ein erster Schwerpunkt ist die Charakterisierung der Kraft als Wechselwirkungsgröße und als eine Größe, die Verformungen (Zerstörung) oder Bewegungsänderungen hervorrufen kann. Um diese Merkmale herauszuarbeiten, ist es zweckmäßig, neben den Bezügen zu Alltagserfahrungen der Schüler auch einige Experimente durchzuführen. Dabei sollten jeweils die interessierenden Aspekte hervorgehoben werden: – Es wirken immer (mindestens) zwei Körper aufeinander ein. – Dabei treten Verformungen (Zerstörungen) oder Änderungen der Bewegung auf. Geeignet sind beispielsweise folgende Experimente: – Ein großes Wägestück (z.B. 1 kg) wird gehoben oder auf dem Tisch verschoben. – Eine Feder (ein Expander) wird mit der Hand gedehnt bzw. wird von zwei Schülern auseinandergezogen. – Zwei kleine Experimentierwagen werden mit dem Federstoßgerät nach links bzw. nach rechts bewegt (s.Skizze). 16 – Ein Stück Würfelzucker wird mit Hilfe einer Zange zerkleinert (zerstört). Verwiesen werden kann auch auf die im LB genannten Beispiele. Die Abhängigkeit der Wirkungen einer Kraft von Betrag, Richtung und Angriffspunkt können mit einer Experimentierfolge entsprechend der Darstellung im LB demonstriert werden. Man benötigt dazu lediglich eine Holzleiste oder eine Blattfeder, an der mehrere Schlaufen befestigt sind, und einen Federkraftmesser. Analog lässt sich auch ein Experiment zur Änderung der Bewegung von Körpern beim unterschiedlichen Einwirken einer Kraft auf einen Körper durchführen (s. Skizze). Schienenwagen Die Tabelle im LB vermittelt einige Größenvorstellungen über Kräfte. Die Schüler sollten angeregt werden zu erkunden, welche Beträge Kräfte in Natur und Technik annehmen können. Dazu gehören insbesondere auch Körperkräfte, die z.B. mit Hilfe eines Expanders verglichen werden können. Damit erfolgt zugleich eine Vorbereitung auf die Kraftmessung. Es ist für die Schüler meist schnell einsehbar, dass die Verformung eines Körpers gut geeignet ist, um Kräfte miteinander zu vergleichen und zu messen. Die Einbeziehung eines Expanders oder einer Feder mit großer Federkonstanten in den Unterricht ist empfehlenswert. Es kann auch ein Wettbewerb gestaltet werden: Es leuchtet jedem Schüler ein, dass derjenige eine größere Kraft ausübt, der den Expander (die Feder) mehr dehnt. Ableseübungen an Federkraftmessern sollte hinreichend Aufmerksamkeit gewidmet werden. Bewährt Lernbereich 1: Kräfte hat sich dafür die Nutzung einer Folie, auf der die Skalen der Federkraftmesser aufgezeichnet sind, die im Unterricht verwendet werden. – Bei der Darstellung von Kräften mit Pfeilen ist wesentlich, dass Schüler die Pfeillänge als Ausdruck des Betrages der Kraft begreifen, ohne maßstäbliche Darstellungen zum Selbstzweck werden zu lassen. Besonders für Schüler der Mittelschule empfiehlt sich der Bau eines Kraftmessers und seine Eichung, der auch für Hausexperimente verwendet werden kann. Das hookesche Gesetz (SE Längenänderung einer Schraubenfeder) sollte erarbeitet werden, wenn im Zusammenhang mit der Behandlung der Gewichtskraft geklärt ist, dass durch Hakenkörper bestimmte Gewichtskräfte hervorgerufen werden. Bei der Behandlung der Arten von Kräften geht es um einen Überblick. Verschiedene Kräfte sollten in ihrer Wirkung demonstriert und im Überblick charakterisiert werden. Dabei ist zu beachten, dass sich die verschiedenen Kräfte nicht in eine bestimmte Systematik einordnen lassen und von ihrem Charakter her sehr unterschiedlich sind. Tafelbild Die Kraft Die Kraft gibt an, wie stark zwei Körper aufeinander einwirken. Formelzeichen F F Einheiten 1 Newton (1N) 1 kN = 1 000 N 1 MN = 1 000 000 N F Darstellung Betrag Angriffspunkt Richtung Tafelbild Wirkungen von Kräften Kräfte sind nur an ihren Wirkungen erkennbar. Kräfte können hervorrufen Bewegungsänderungen von Körpern Änderung der Geschwindigkeit Änderung der Richtung der Bewegung Formänderungen von Körpern plastische Verformung elastische Verformung Zerstörung des Körpers Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von ihrem Angriffspunkt, ihrem Betrag und ihrer Richtung. 17 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung – Magnetische Kräfte auf ferromagnetische Körper (Nägel, Schrauben, Büroklammern) lassen sich mit Hilfe von Permanent- oder Elektromagneten demonstrieren. – Elektrische Kräfte zeigen sich z.B. beim Bandgenerator (Veränderung der Lage der Holundermarkkügelchen auf der großen Kugel) oder wenn man einen geladenen Körper in die Nähe von Papierschnipseln oder Styroporkügelchen bringt. Auf magnetische und elektrostatische Kräfte wird in den nachfolgenden Abschnitten noch detaillierter eingegangen. – Adhäsionskräfte als Kräfte zwischen Teilchen verschiedener Stoffe lassen sich gut mit Hilfe von zwei Glasplatten demonstrieren: Feuchtet man die Oberfläche an, so haften die Glasplatten sehr gut aufeinander und lassen sich nur mühsam voneinander trennen. – Kohäsionskräfte als Kräfte zwischen Teilchen eines Stoffes kann man gut mit Holzstäben, Linealen, Blattfedern oder Stativstäben demonstrieren. Auf die Gewichtskraft und die Reibungskraft braucht man an dieser Stelle nur zu verweisen, da auf diese beiden Kräfte im nachfolgenden Unterricht genauer eingegangen wird. Insgesamt sollte den Schülern dabei deutlich werden, dass Körper auch aufeinander wirken, wenn sie sich nicht berühren oder durch Seile oder Stangen miteinander verbunden sind. Für die Gewichtskraft gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der verbalen Definition; wobei man darüber hinaus in unterschiedlicher Weise didaktisch vereinfachen kann: 1. Variante: Die Gewichtskraft gibt an, wie stark ein Körper auf eine ruhende Unterlage drückt oder an einer Aufhängung zieht. Konsequenzen:Die Gewichtskraft verändert sich mit beschleunigter Bewegung der Unterlage oder der Aufhängung. Die Gleichung FG = m · g gilt nur bei ruhender oder gleichförmig bewegter Unterlage oder Aufhängung. 2. Variante: Die Gewichtskraft gibt an, wie stark ein Körper von der Erde angezogen wird. Konsequenzen: Die Gleichung FG = m · g gilt uneingeschränkt. Die Kraft auf eine beschleunigt bewegte Unterlage ist nicht identisch mit der Gewichtskraft, sie ist nur unter Einbeziehung von Trägheitskräften fassbar. Um die Schüler nicht zu verwirren, sollte sich der Lehrer auf eine Variante festlegen. Variante 1 kann durch eine einfache Experimentierfolge verdeutlicht werden: (2) Beide Körper frei fallen lassen. (1) Kraftmesser zeigt keine Kraft an. (3) Kraftmesser zeigt keine Kraft an. Körper zieht an Aufhängung. (4) Körper drückt auf Unterlage. In den Fällen 3 und 4 zeigt der Kraftmesser eine Kraft (die Gewichtskraft) an. Tafelbild Die Gewichtskraft Die Gewichtskraft FG gibt an, wie stark ein Körper auf eine Unterlage drückt oder an einer Aufhängung zieht. m = 2 kg m = 1 m kg =3 m = 1 kg kg FG = 10 N FG = 20 N ERDE FG = 30 N Je größer die Masse eines Körpers ist, umso größer ist seine Gewichtskraft. FG ~ m 18 FG = 1,62 N MOND Die Gewichtskraft ist von dem Ort abhängig, an dem sich der Körper befindet. FG, Mond ≈ 1/6 FG, Erde Lernbereich 1: Kräfte Arbeitsblatt Kräfte und ihre Wirkungen 1. Ergänze die Übersicht! Wirkungen von Kräften Änderung der Bewegung von Körpern Beispiel: 2. Beispiel: Zeichne die wirkenden Kräfte ein! a) b) c) 3. Wovon ist die Wirkung einer Kraft abhängig? 4. Ergänze die Übersicht zu den physikalischen Größen Masse und Gewichtskraft! Masse m physikalische Bedeutung Ortsabhängigkeit Gewichtskraft FG Die Masse gibt an, wie schwer oder wie träge ein Körper ist. Die Gewichtskraft ist vom Ort abhängig, an dem sich der Körper befindet. Einheit Messgerät 19 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Geht man so vor, wird für die Schüler auch die Abgrenzung zur Masse einsichtiger. Die Unterschiede der Gewichtskräfte von Körpern gleicher Masse an verschiedenen Orten kann erörtert werden. Davon ausgehend kann die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Gewichtskraft und Masse durch ein Experiment erfolgen, aus dem der Ortsfaktor als Proportionalitätsfaktor gewonnen wird. Aus diesem Experiment werden auch die Hakenkörper als für die Erzeugung von bestimmten Gewichtskräften geeignet verstanden. Damit kann das SE zum hookeschen Gesetz bzw. zur Längenänderung einer Schraubenfeder ausgeführt werden. – Beim Fahren mit dem Skateboard oder mit Rollschuhen soll die Reibungskraft klein sein, beim Abbremsen muss sie groß sein. Trotz der Einführung der Kraft als Wechselwirkungsgröße ist für Schüler die Frage, mit welcher Kraft z.B. ein 1 kg schwerer Körper die Erde anzieht, schwer zu beantworten. Eine solche Frage sollte mit den Schülern erörtert werden. Sie führt zu der Folgerung, dass man die Wirkungen von Kräften manchmal nur an einem der beteiligten Körper erkennt. Zur Festigung bietet es sich an, mit den Schülern einige Fragen zu erörtern, die ihren Erfahrungsbereich tangieren und auch praktisch bedeutsam sind. Solche Fragen sind z.B.: Bei der Gewichtskraft sollte den Schülern verdeutlicht werden, dass auch diese Kraft zu einer Verformung oder zu einer Änderung der Bewegung von Körpern führen kann. Der einfache Fall den man demonstrieren kann, ist der freie Fall. Die Unterscheidung von Masse und Gewichtskraft fällt vielen Schülern schwer. Eine Gegenüberstellung (s. LB) kann helfen, dass die Schüler beide Größen besser voneinander abgrenzen können. Dabei sollten die Schüler auch darauf aufmerksam gemacht werden, dass in Bedienungsanleitungen von technischen Geräten in der Regel das Gewicht in g oder kg angegeben wird. Dies entspricht den in der Technik gültigen DIN – Normen. Bei der Behandlung der Reibungskräfte als bewegungshemmende Kräfte sollte an die Schüler der für die Praxis wichtige Gedanke herangetragen werden, dass Reibungskräfte einerseits erwünscht, andererseits unerwünscht sind. Dieser Gedanke kann an Beispielen aus dem Erfahrungsbereich der Schüler herausgearbeitet werden: – Beim Fahrrad ist die Haftreibungskraft zwischen Straße und Reifen erwünscht, die Reibungskraft im Tretlager unerwünscht. – Beim Auto ist die Reibungskraft zwischen Straße und Reifen einerseits erwünscht und soll möglichst groß sein (z.B. zum schnellen Bremsen erforderlich), andererseits ist sie unerwünscht und soll klein gehalten werden (etwa beim Fahren auf gerader Strecke). 20 Von daher ergibt sich die Frage, wovon die Reibungskraft abhängig ist. Die Untersuchungen dazu sollten weitgehend im Schülerexperiment erfolgen, nachdem gemeinsam mit den Schülern geklärt wurde, welche Größen/Faktoren jeweils konstant gehalten oder variiert werden können. Eine Anleitung für eine experimentelle Untersuchung ist im AH enthalten. Sämtliche Erkenntnisse werden in einem Tafelbild bzw. auf einer Folie zusammengefasst. – Wie kann man bei einem Fahrrad die bewegungshemmende Reibungskraft zwischen Reifen und Straße verringern? – Bei einem Auto werden Breitreifen montiert. Welchen Einfluss hat das auf die Reibungskraft? – Bei Klett-Verschlüssen, wie man sie bei Schuhen oder Taschen findet, wird die Reibung genutzt. Wie erreicht man in diesem Falle eine große Reibungskraft? – Eine schwere Kiste soll von einer Ecke des Raumes in eine andere Ecke transportiert werden. Welche Möglichkeiten gibt es, sich diese Arbeit zu erleichtert? – Wie kann man erreichen, dass der Bremsweg bei einem Fahrzeug (Fahrrad, Auto) möglichst kurz ist? Untersuchungen dazu können zu einem Projekt ausgebaut werden. Zur Zusammenfassung kann die beiliegende Kopiervorlage genutzt werden, in der wichtige Erkenntnisse zusammengefasst sind. Im Zusammenhang mit Reibungskräften im Straßenverkehr sollten den Schülern auch Hinweise zum ABS (Antiblockiersystem) gegeben werden. Im Lehrbuch finden sich Anregungen, ein Projekt mit dem Thema „Reibung im Straßenverkehr“ durchzuführen. Dabei geht es um die Themenbereiche – Reibung und Straßenbelag, – Regen, Schnee und Glatteis, – Reifenprofile sowie – Antischlupf, ABS und Aquaplaning. Unter der Rubrik Methode erhalten die Schüler Hinweise zur Arbeit in Projekten. Lernbereich 1: Kräfte Kopiervorlage Reibungskräfte sind Kräfte zwischen zwei Körpern, die sich berühren. Ursache ist die Unebenheit der Oberflächen. Haftreibungskraft tritt auf, wenn ein Körper auf einem anderen ruht. Gleitreibungskraft tritt auf, wenn ein Körper auf einem anderen gleitet. Rollreibungskraft tritt auf, wenn ein Körper auf einem anderen rollt. Beispiel: Kiste steht auf dem Fußboden. Beispiel: Skifahrer gleitet über den Schnee. Beispiel: Auto rollt auf einer Straße. Die Reibungskraft ist abhängig – von der Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt; – von der Art der Oberfläche. Die Reibungskraft ist unabhängig – von der Größe der Berührungsflächen der beiden Körper. Meist gilt: Haftreibungskraft > Gleitreibungskraft > Rollreibungskraft Die Reibungskraft kann – – – – verringert werden durch Glätten der Oberflächen, durch Verkleinern der Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt, durch Schmiermittel, durch ein „Luftkissen“. vergrößert werden – durch Aufrauhen der Oberflächen, – durch Vergrößern der Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt. 21 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung An zahlreichen Beispielen aus dem Alltagsleben sollte den Schülern bewusst gemacht werden, dass Hebel in einer Vielzahl von Formen existieren und wir ständig mit Hebeln umgehen (Zangen, Scheren, Flaschenöffner, Türklinken usw.). Eine interessante Aufgabe für Schüler ist es auch zu erkunden, wo sich im Klassenraum bzw. zu Hause Hebel befinden. Ein sehr „ergiebiges“ Objekt für eine solche Erkundung ist auch das Fahrrad. Diese „Sichtung“ von Hebeln unterschiedlicher Art kann zugleich genutzt werden, um eine Einteilung in einseitige und zweiseitige Hebel vorzunehmen. Das weitere Herangehen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen: Eine Möglichkeit besteht darin, die Frage nach dem Gleichgewicht am Hebel in den Mittelpunkt zu stellen. Die experimentelle Untersuchung dazu sollte im Schülerexperiment erfolgen. Eine entsprechende Anleitung ist im AH enthalten. Eine Auswertung des Schülerexperiments führt zu dem Ergebnis F1 · l1 ≈ F2 · l2. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zunächst die Größe Drehmoment einzuführen und davon ausgehend das Hebelgesetz herzuleiten. Das Drehmoment kann eingeführt werden als die Drehwirkung, die eine Kraft auf einen drehbar gelagerten Körper ausübt. Um die verschiedenen Zusammenhänge zu verdeutlichen, lässt sich gut eine Drehmomentenwaage einsetzen (s. Skizze). Gegebenenfalls muss eine Umeichung von kpm auf Nm erfolgen. Damit können folgende Experimente realisiert werden: 1. Abhängigkeit der Drehwirkung von F: In beliebigem Abstand wird ein Stift mit Schnur in die Drehmomentenscheibe besteckt und F variiert. 2. Abhängigkeit der Drehwirkung von r (l). Ein Stift mit Schnur wird in verschiedenem Abstand gesteckt. Dabei wird mit dem hinteren Zeiger die Feder so verdreht, dass der vordere Zeiger wieder auf null steht (Ausgangslage). Die Verdrehung des hinteren Zeigers ist ein Maß für die Drehwirkung (bei geeichter Skala ist so das Drehmoment ablesbar). Tafelbild Hebel Einseitiger Hebel Zweiseitiger Hebel l1 l2 l2 l1 F2 F2 F1 F1 Beispiele: Türklinke Brechstange Nussknacker 22 Beispiele: Wippe Waage Rohrzange Lernbereich 1: Kräfte Arbeitsblatt Einseitige und zweiseitige Hebel 1. Skizziere einen zweiseitigen Hebel! Nenne zu jeder Hebelart zwei Beispiele! einseitiger Hebel Drehachse zweiseitiger Hebel l2 l1 F2 F1 2. Unter welcher Bedingung ist ein Hebel im Gleichgewicht? 3. Die Hebel sollen sich im Gleichgewicht befinden. Nenne mögliche Werte für F1 und F2! Die Hebel haben eine cm-Teilung. F1 F1 F2 F2 F1 F2 4. F1 F2 Die Hebel befinden sich im Gleichgewicht. Markiere jeweils die Drehachse! Begründe! Die Hebel haben eine cm-Teilung. F2 = 2 N F1 = 4 N 5. F1 = 10 N F2 = 20 N Ergänze in den Skizzen die Kraftpfeile! Beachte, dass die Länge der Pfeile ein Maß für den Betrag der Kraft ist! a) b) c) F1 F1 F1 F1 23 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung 4.1.2 Magnetische Kräfte Die Schwerpunkte bei der Behandlung sind – Dauermagnete mit ihrem Aufbau, ihren Eigenschaften und ihren Wirkungen, – das Feldlinienbild als Modell des Magnetfeldes, – das Magnetfeld um stromdurchflossene Leiter (Spulen), – einige ausgewählte Anwendungen, vor allem Elektromagnet. Magnete sind den Schülern aus ihrer Alltagserfahrung bekannt: Magnetische Seifenhalter, magnetische Schrankverschlüsse, Kompasse mit Kompassnadeln, Magnete zum Anheften von Zetteln u.Ä. An diese Erfahrungen kann angeknüpft und den Schülern an Beispielen verdeutlicht werden, wie vielfältig die Form von Magneten, insbesondere von keramischen Magneten, sein kann. Auch Hufeisenmagnete und Stabmagnete sollten den Schülern gezeigt werden. Durch einfache Experimente (Demonstration von Anziehung und Abstoßung zwischen Magneten, Demonstration der Kräfte auf Körper aus ferromagnetischen Stoffen, Fehlen dieser Kräfte bei Körpern aus anderen Stoffen) ergeben sich zwei grundlegende Aussagen, die auch für viele Anwendungen von Bedeutung sind: – Zwischen Magneten wirken anziehende bzw. abstoßende Kräfte. – Magnete ziehen Körper aus Eisen, Nickel oder Cobalt (Körper aus ferromagnetischen Stoffen) an, Körper aus anderen Stoffen aber nicht. Diese Experimente können auch als Schülerexperimente realisiert werden. Die Ergebnisse können in einem TB zusammengefasst werden, wobei zu überlegen ist, ob man Elektromagnetismus sofort einbezieht. Aus den Experimenten ergibt sich fast zwangsläufig die Frage nach den Ursachen dieses Verhaltens, die nur im inneren Aufbau der betreffenden Stoffe begründet sein können. Tafelbild Magnetismus Dauermagnetismus Ein Stabmagnet zieht einen Nagel an. Zwei Stabmagnete stoßen einander ab. N S S Elektromagnetismus Spule wird von einem Strom durchflossen – der Eisenkörper wird angezogen. N N S Im Raum um Dauermagnete und Elektromagnete wirken Kräfte. Sie können andere Magnete oder Körper aus ferromagnetischen Stoffen (Eisen, Cobalt, Nickel) anziehen bzw. Magnete abstoßen. 24 Lernbereich 1: Kräfte Das Modell der Elementarmagnete sollte den Schülern mitgeteilt werden; brauchbare Abbildungen dazu sind im LB enthalten. Dabei ist wichtig, hervorzuheben: Sowohl Magnete als auch Körper aus ferromagnetischen Stoffen bestehen aus Elementarmagneten. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, mit den Schülern folgende Fragen zu erörtern: a) Wann wirkt ein Körper aus ferromagnetischen Stoffen wie ein Magnet? Im Modell wäre die Antwort: Das ist dann der Fall, wenn die Elementarmagnete in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. b) Wie erreicht man bei einem Körper aus ferromagnetischem Stoff, der zunächst kein Magnet ist, eine Ausrichtung der Elementarmagnete? Das kann leicht am Beispiel eines größeren Nagels demonstriert werden. c) Kann man die Ausrichtung der Elementarmagnete wieder rückgängig machen, also aus einem Magneten wieder einen nichtmagnetischen Körper machen? Auch das lässt sich demonstrieren, indem man einen Magneten stark erhitzt oder mechanisch (z.B. mit einem Hammer) bearbeitet. Daraus können gemeinsam mit den Schülern Folgerungen für den Umgang mit Magneten abgeleitet werden. Ein Hinweis auf hartmagnetische und weichmagnetische Stoffe sollte nicht fehlen, weil diese Unterscheidung für viele praktische Anwendungen von Bedeutung ist. Die Pole eines Magneten und die Kräfte zwischen den Polen können entsprechend der Darstellung im LB auf experimenteller Grundlage eingeführt werden. Bei keramischen Magneten für technische Anwendungen ist zu beachten, dass solche Magnete auch mehr als zwei Magnetpole haben können und die räumliche Anordnung sehr unterschiedlich sein kann. Ein typisches Beispiel für einen solchen mehrpoligen Magneten ist der Magnet aus einem Fahrraddynamo. Die wichtigsten Ergebnisse der Betrachtungen werden in einem TB zusammengefasst. Die Hinführung zum Begriff des Magnetfeldes kann von einfachen Experimenten ausgehen: Zwischen zwei Magneten oder einem Magneten und einem Körper aus ferromagnetischem Stoff wirken auch Kräfte, wenn sich die Körper in einer gewissen Entfernung voneinander befinden. Das lässt sich gut zeigen, wenn man einen Magneten drehbar lagert oder wenn man mit Hilfe des Tageslichtprojektors zeigt, dass ein Magnet kleine Nägel aus größerer Entfernung anzieht (Magnet und Nägel liegen auf einer Glasplatte auf der Projektionsfläche des Tageslichtprojektors). Dieser Raum um einen Magneten, in dem magnetische Kräfte wirken, nennt man Magnetfeld. Zur weiteren Untersuchung des Magnetfeldes einschließlich Einführung von Feldlinien sollte man sich zunächst auf einen Magneten beschränken. Es bietet sich hierzu der Stabmagnet an. Das Vorgehen könnte in einigen Schritten erfolgen. 1. Auf die Projektionsfläche eines Tageslichtprojektors wird ein (möglichst kräftiger) Stabmagnet gelegt. Die Umgebung dieses Stabmagneten wird mit einer kleinen, drehbar gelagerten Magnetnadel sondiert. N S Ergebnis: Die Richtung der Kräfte auf eine kleine Magnetnadel ist sehr unterschiedlich. 2. Um den gesamten Raum um den Magneten zu untersuchen, müsste man jeweils die Lage der kleinen Magnetnadel festhalten oder sehr viele kleine Magnetnadeln hinstellen oder eine andere Möglichkeit wählen. Eine solche Möglichkeit sind Eisenfeilspäne. Die Untersuchung kann als SE oder als DE erfolgen. Als DE bietet sich folgende Variante an: Der Magnet wird auf die Projektionsfläche des Tageslichtprojektors gelegt, auf ihn eine Glasplatte. Streut man auf diese Glasplatte Eisenfeilspäne, so kann man ihre Anordnung in der Projektion gut beobachten. Es bilden sich charakteristische Ketten. 3. Zeichnet man anstelle dieser Ketten Linien, so erhält man insgesamt ein Bild, das Feldlinienbild. N S Das Feldlinienbild sollte deutlich als ein Modell des Feldes gekennzeichnet werden, das wie jedes Modell nur bestimmte Aspekte der Realität widerspiegelt. 25 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Tafelbild Magnete und ihre Eigenschaften Magnete sind Körper, die andere Körper aus ferromagnetischen Stoffen (Eisen, Kobalt, Nickel) anziehen. Diese Stoffe sind magnetisierbar. unmagnetisches Eisen magnetisiertes Eisen Jeder Magnet hat mindestens zwei Pole (Nordpol, Südpol). gleiche Pole: Abstoßung Ungleiche Pole: Anziehung S N N S S N S N N S S N N S N S Dabei ist es zweckmäßig, die Schüler auf Folgendes aufmerksam zu machen: – Ein Feldlinienbild dient der Veranschaulichung des existierenden, aber für uns nicht sichtbaren oder fühlbaren Magnetfeldes. – Die Richtung der Feldlinien ermöglicht eine Aussage über die Richtung der magnetischen Kraft (über die Ausrichtung von kleinen Magneten im Feld). – Die Dichte der Feldlinien ermöglicht eine Aussage über die (relative) Stärke des Feldes. – Das Magnetfeld existiert auch zwischen den Feldlinien. – Das Magnetfeld ist im gesamten Raum um den Magneten vorhanden, nicht nur in einer Ebene. – Die Richtung der Feldlinien vom Nord- zum Südpol ist eine (willkürliche) Festlegung. netfeld zu betrachten. Dieses lässt sich auch gut mit dem Magnetfeld eines Stabmagneten vergleichen. Auf Betrachtungen des vom Sonnenwind verformten Erdmagnetfeldes kann verzichtet werden. Für weitere Magnete (Hufeisenmagnet, runde und eckige keramische Magnete) kann dann die Anordnung von Eisenfeilspänen untersucht und auf die betreffenden Feldlinienbilder geschlossen werden. Der Schwerpunkt sollte aber insgesamt nicht auf der selbständigen Gewinnung von Feldlinienbildern durch die Schüler liegen, sondern auf der Interpretation von Feldlinienbildern. Einbezogen werden sollte dabei das Erdmagnetfeld. Dabei reicht es völlig aus, das erdnahe Mag- Bei der Behandlung des Elektromagnetismus bietet sich ein stark experimentell orientiertes Herangehen an, das man mit historischen Betrachtungen zum OERSTED-Versuch verbinden kann. 26 Aufmerksam gemacht werden sollten die Schüler aber darauf, dass sich die Lage der Magnetpole mit der Zeit ändert und dass es erhebliche örtliche Anomalien gibt. In größeren historischen Zeiträumen hat es auch mehrfach Umpolungen des Erdmagnetfeldes gegeben. Für die Festigung bietet das LB eine Reihe von Aufgaben. Ein Hinweis darauf, dass starke Magnetfelder zu Informationsverlusten auf Disketten oder Tonbandkassetten führen können, sollte den Schülern auf jeden Fall gegeben werden. (1) Es wird der OERSTED-Versuch, der zur Entdeckung des Elektromagnetismus führte, demonstriert. Damit der Versuch für alle Schüler gut sichtbar ist, kann er auf der Fläche eines Overheadprojektors aufgebaut werden. Lernbereich 1: Kräfte Tafelbild Das Magnetfeld Das Magnetfeld ist der Raum um einen Magneten. Es lässt sich mithilfe eines Feldlinienbildes veranschaulichen. 1. Die Richtung der Feldlinien gibt die Richtung der magnetischen Kraft auf Körper an. N S 2. Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld. (2) Vor die Öffnung einer Kastenspule wird ein Wägestück (200 g) gehängt und der Stromkreis geschlossen. Wägestück Spule Ergebnis: Das Wägestück wird angezogen, solange der Strom durch die Spule fließt. (3) Vor die Öffnung einer Kastenspule wird ein Dauermagnet auf einem Wagen so angeordnet, dass er sich beim Einschalten des Stromes der Spule nähern kann. Spule N S Danach wird die andere Seite der Spulenöffnung verwendet. Ergebnis: Eine stromdurchflossene Spule besitzt wie ein Stabmagnet einen Nordpol und einen Südpol. Die Feldlinienbilder eines geraden stromdurchflossenen Leiters bzw. einer Spule lassen sich ebenfalls experimentell darstellen. Die wesentlichen Erkenntnisse sind im TB zusammengefasst. Nachdem die Ursachen und die Wirkungen des Elektromagnetismus erklärt und die Kenntnisse hinreichend gefestigt wurden, drängt sich nun die Frage auf, wovon die Stärke magnetischer Wirkung im Raum um stromdurchflossene Leiter abhängen kann. Es können Vermutungen formuliert und experimentell überprüft werden. Solche Vermutungen sind z. B.: Die Stärke der magnetischen Wirkung einer Spule ist abhängig: – – – – vom Bau (Länge) der Spule, von der Windungszahl der Spule, von der Stromstärke, die die Spule durchfließt, vom Stoff, der die Spule ausfüllt. Die Vielfalt der Vermutungen räumt die Möglichkeit ein, differenziertes Arbeiten zu organisieren. Im anschließenden Unterrichtsgespräch gelangt man zu der Erkenntnis, dass die magnetische Wirkung eines Elektromagneten von der Windungszahl, der Stärke des fließenden Stromes, dem Eisenkern und dem Bau der Spule abhängt. Diese Zusammenhänge werden zumeist als jedesto-Aussagen formuliert. 27 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Arbeitsblatt Magnete und Magnetfelder Magnete Dauermagnete sind Körper, die untereinander und auf Körper aus Eisen, Nickel und Kobalt Kräfte ausüben. 1. Elektromagnete sind Spulen mit Eisenkernen, die bei Stromfluss die gleichen Eigenschaften wie Dauermagnete haben. Zeichne die Feldlinienbilder für einen Stabmagneten und für die Erde! Vergleiche die beiden Feldlinienbilder miteinander! Erdachse S N 2. Elektromagnete werden z.B. bei elektrischen Klingeln und bei Relais angewendet. Beschreibe den Aufbau dieser Geräte! Erkläre ihre Wirkungsweise! Nutze dazu die Rückseite des Arbeitsblattes! Zeichne bei der Klingel den Stromweg farbig ein! elektrische Klingel Relais Anker Kontakt Anschlüsse für den Arbeitsstromkreis Kontakte A B C Anker Spulen mit Eisenkern 28 Spule mit Eisenkern im Steuerstromkreis Lernbereich 1: Kräfte 4.1.3 Elektrostatische Kräfte stand berührt, bekommt man manchmal einen „elektrischen Schlag“. Bei Gewittern kann man gewaltige Blitze beobachten. Das führt wieder zu den unter a) genannten Fragen. Für den Einstieg in den Themenbereich „Elektrische Ladungen“ gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: a) Den Schülern werden zunächst einige Experimente gezeigt, ohne näher auf Erklärungen einzugehen, z.B.: • Wenn man über Papier streicht, das auf einer Kunststofffolie liegt, dann haftet dieses Papier. • Mit einem geriebenen Kunststoffstab kann man kleine Papierschnipsel oder Styroporkügelchen anziehen (besonders eindrucksvoll über Projektion mit dem Tageslichtprojektor!). • Ein bifilar aufgehängter Luftballon wird mit den Händen oder mit einem Lappen gerieben. Bringt man anschließend Hände bzw. Lappen in die Nähe des Luftballons, so wird er deutlich ausgelenkt. • Ein Bandgenerator wird aufgeladen. Die auf ihm befindlichen Holundermarkkügelchen verändern ihre Lage. Besonders attraktiv ist es für Schüler, wenn man auf der großen Kugel Watte anbringt. Bei allen diesen Experimenten spielen geladene Körper eine Rolle. Es ergeben sich die Fragen wie: Wann ist ein Körper geladen, wann ungeladen? Welche Eigenschaften haben geladene Körper? Wie kann man sich vor elektrischen Entladungen schützen? b) Es wird an den Erfahrungsbereich der Schüler angeknüpft: Wenn man einen Pullover über den Kopf zieht, dann „knistert“ es manchmal. Wenn man im Sessel saß, aufsteht und einen metallischen Gegen- c) Es wird angeknüpft an den Aufbau von Stoffen aus Teilchen und die Frage aufgeworfen, wie diese Teilchen eigentlich aufgebaut sind. Damit gelangt man unmittelbar zum Aufbau des Atoms. Der Nachteil dieser Variante besteht darin, dass zunächst keinerlei Beziehung zum Thema „Elektrische Ladung“ deutlich wird. Bei der Darstellung des Atomaufbaus sollte man sich auf ein einfaches Atommodell beschränken, das aber erweiterungsfähig und geeignet ist, wesentliche Aspekte deutlich zu machen: – Kern und Hülle sind unterschiedlich geladen. – Der Kern ist klein gegenüber dem Gesamtatom. – Die Elektronen befinden sich in der Hülle, haben aber keinen bestimmten Platz (als propädeutische Umschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit). Auf zwei Aspekte sollte man die Schüler aufmerksam machen: – Die Ladung von Elektronen und Protonen ist gleich groß. Daraus folgt: Wenn die Anzahl von Protonen im Kern und Elektronen in der Hülle gleich groß ist, dann heben sich positive und negative Ladungen auf. Das Atom ist nach außen elektrisch neutral. – Protonen sind fest an den Atomkern gebunden, Elektronen dagegen können aus der Hülle herausgelöst werden. Sie können auch von einem Körper auf einen anderen Körper übergehen. Tafelbild Aufbau von Atomen Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle. Träger der positiven Ladung sind Protonen, Träger der negativen Ladung sind Elektronen. Atomhülle Atomkern Für ein neutrales Atom gilt: Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen Bekannt sind bisher 109 verschiedene Arten von Atomen. (Wasserstoff: 1 Elektron, Meitnerium: 109 Elektronen) 29 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Tafelbild Ladungstrennung erfolgt, wenn sich zwei unterschiedliche Nichtmetalle berühren. Tuch Plastikstab vor der Berührung während der Berührung Tuch und Plastikstab sind ungeladen. Es werden Elektronen zwischen Tuch und Plastikstab ausgetauscht. nach der Berührung Elektronenmangel (+) Elektronenüberschuß (–) Tuch und Plastikstab sind geladen. Als weitere Schwerpunkte, aus denen der Lehrer gemeinsam mit seinen Schülern auswählen sollte, bieten sich an: a) Behandlung des Aufbaus und Erklärung der Wirkungsweise einer „Elektrisiermaschine“ (Bandgenerator, Influenzmaschine). b) Aufladung und Entladung in der Natur (Gewitter). Verbunden werden sollten diese Betrachtungen mit Folgerungen für das Verhalten bei Gewittern. Die Erzeugung und weiträumige Trennung von positiver und negativer Ladung ist kompliziert. In modernen Gewittertheorien spielen besonders Effekte eine Rolle, die bei der Bildung von Eis auftreten. Zunächst bilden sich im oberen Teil der Gewitterzelle Eis und Hagelkörner. Relativ große Hagelkörner beginnen zu fallen, es kommt zu zahlreichen Zusammenstößen mit im Aufwind steigenden Wassertropfen, die von außen her beginnen zu frieren. Das Temperaturgefälle im Tropfen führt zu einem Konzentrationsgefälle von H+- und OH –-Ionen derart, dass sich der kältere äußere Teil positiv auflädt (Thermoseparation der Ladungen). Wenn dann auch das Innere des Tropfens gefriert, kommt es wegen der Ausdehnung des Kerns aufgrund der Anomalie des Wassers zu einem Druckanstieg, der bis zu 10 MPa betragen kann. Dadurch zerplatzen die Tropfen. Es bildet sich eine Vielzahl von kleinen, positiv geladenen Eissplittern. Der negativ geladene Kern (das Hagelkorn) fällt zur Basis der Wolke, die positiv geladenen Eissplitter steigen in Aufwinden nach oben. Auf der Kopiervorlage ist eine mögliche Elementarisierung angedeutet. c) Es wird der Elektrofilter als eine technische Anwendung in den Mittelpunkt gerückt. d) Es werden Aufladungen und Entladungen an 30 verschiedenen Beispielen aus dem Alltag erörtert, z.B.: • Kämmen von trockenen, frisch gewaschenen Haaren mit einem Plastikkamm: Warum sind die Haare so „unfolgsam“? • Wenn man aus dem Auto aussteigt und das Blech anfasst, bekommt man manchmal einen elektrischen Schlag, manchmal nicht. Wie kommt das? • Wenn man einen geladenen Plastikstab in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls hält, wird dieser deutlich abgelenkt. Wie kommt das? • Plastikmappen oder -folien kleben manchmal regelrecht zusammen. Wie kommt das? e) Es werden mit dem Schüler Möglichkeiten erörtert, wie man sich selbst vor Aufladungen/vor Blitzen schützen kann. Hier könnte man den Schülern die abschirmende Wirkung eines Drahtkäfigs (Faradayscher Käfig) demonstrieren: Stellt man ein Elektroskop unter einen solchen Käfig, dann zeigt es nichts an, auch wenn man von außen einen stark geladenen Körper (Kugel eines Bandgenerators) nähert. In diesem Zusammenhang könnte mit den Schülern weiter diskutiert werden – der Aufbau einer Blitzschutzanlage für ein Haus; – die Sicherheit vor Blitzeinschlägen in einem Auto; – der Sinn bzw. Unsinn von besonderen Maßnahmen zur Ladungsableitung beim Pkw oder auch beim Menschen. Hier sollte deutlich gemacht werden, dass die im Alltag auftretenden Aufladungen gering und für den Menschen ungefährlich sind. Die Ableitung von Ladungen erfolgt beim Pkw über die Reifen, beim Menschen über die Schuhe zum Erdboden. – die Abschirmung von elektrischen Leitungen. Lernbereich 1: Kräfte Arbeitsblatt Aufbau des Atoms und elektrische Ladungen 1. Ein Wasserstoffatom hat ein Elektron, ein Sauerstoffatom acht Elektronen und ein Kohlenstoffatom 6 Protonen. Ergänze die Skizzen! Wasserstoffatom Sauerstoffatom Kohlenstoffatom 2. Ergänze die Tabelle! Stoff Aluminium Kupfer Uran Anzahl der Ladungen Anzahl der Ladungen im Atomkern (+) in der Atomhülle (-) 13 29 92 3. Ein Glasstab wird mit einem Wolltuch gerieben. Wenn man das Wolltuch wegnimmt, ist der Glasstab positiv geladen. Wie ist das Wolltuch geladen? Begründe! 4. Die gezeichneten Körper tragen eine unterschiedliche Ladung. Zeichne ein, welche Ladung die Körper haben könnten! Begründe! a) b) c) 31 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Arbeitsblatt Der Bandgenerator große Metallkugel kleine Metallkugel Gummiband Plastikbürste Kurbel 32 Lernbereich 1: Kräfte Kopiervorlage Aufbau einer Gewitterwolke 14 km 12 km Eiskristalle 10 km – 40 °C 8 km 6 km – 10 °C 4 km 0 °C 2 km + 10 °C Erdoberfläche – Warme, feuchte Luft steigt nach oben. – Es bilden sich Wassertropfen, Eiskristalle und Hagelkörner. – Durch das schnelle Aufsteigen von Luft mit Wassertropfen und das Herabfallen schwerer Hagelkörner kommt es zur Ladungstrennung. Ladungsausgleich in Form von Blitzen Länge von Blitzen: meist 2 km–3 km Dicke von Blitzen: meist 10 cm–20 cm Dauer von Blitzen: etwa 1/1000 s 33 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Das elektrische Feld Ein elektrisches Feld existiert im Raum um elektrisch geladene Körper, in dem auf andere elektrisch geladene Körper Kräfte ausgeübt werden. Ein elektrisches Feld lässt sich mit dem Modell Feldlinienbild veranschaulichen. Elektrisches Feld um positiv bzw. negativ geladene Kugeln Elektrisches Feld zwischen unterschiedlich geladenen Kugeln Elektrisches Feld zwischen unterschiedlich geladenen Platten Elektrisches Feld zwischen einer geladenen Platte und einer geladenen Spitze 34 Lernbereich 2: Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 4.2 Lernbereich 2: Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 4.2.1 Elektrische Stromstärke Der Abschnitt bietet vielfältige Möglichkeiten für Schülerexperimente, die sowohl zur Erarbeitung und Bestätigung von Gesetzen als auch zur Überprüfung von Voraussagen genutzt werden können. Lehrbuch und Arbeitsheft unterstützen dieses Anliegen durch ein entsprechendes Aufgabenangebot. Ein Schwerpunkt bei der Behandlung der Stromstärke ist ihre anschauliche Deutung in verschiedenen Modellen. Besonders geeignet sind das Wasserströmungsmodell und das Modell der Elektronenleitung. Das Wasserströmungsmodell als Analogiemodell eignet sich vor allem dazu, den Schülern zu verdeutlichen, dass – in jedem Stromkreis ein Antrieb (Pumpe) vorhanden sein muss, damit überhaupt ein Strom fließt, – der Stromfluss im gesamten Stromkreis erfolgt und an jeder Stelle die Menge des Zufließenden und des Abfließenden gleich groß ist, – bei Verzweigungen in allen diesen Verzweigungen ein Strom fließt. Als günstig hat es sich erwiesen, jeweils die verschiedenen Modelle nebeneinander zu betrachten, so wie es in der Kopiervorlage dargestellt ist. Die zu erreichenden Unterrichtsziele könnten darin bestehen, dass die Schüler – die physikalischen Größen und Gesetze für Stromkreise kennen und anwenden können, – Stromkreise nach vorgegebener Schaltung aufbauen und umgekehrt zu real vorgegebenen Stromkreisen Schaltpläne anfertigen können, – Messgeräte zielgerichtet einsetzen, um Stromkreise zu untersuchen und – die Gefahren beim Umgang mit Elektrizität kennen und die Einsicht vertiefen, dass Sicherheitsbestimmungen einzuhalten sind. Als besonders schwierig erweist sich erfahrungsgemäß das Einschalten von Messgeräten. Deshalb sollte am Anfang zunächst der Stromkreis ohne Messgeräte aufgebaut werden und dann durch die Messgeräte ergänzt werden. Für verzweigte Stromkreise empfiehlt es sich, anfangs die Verzweigungspunkte z.B. mit den im Schülerexperimentiergerätesatz enthaltenen Stielklemmen hervorzuheben. Die Schüler können damit eine bessere Verbindung zwischen Schaltbild und realer Anordnung herstellen. Auf eine gleiche räumliche Anordnung sollte geachtet werden. Anknüpfend an den Anfangsunterricht vertiefen die Schüler ihre Kenntnisse über den Aufbau elektrischer Stromkreise. Sie lernen wichtige physikalische Größen und ihre gesetzmäßigen Zusammenhänge im unverzweigten und verzweigten Stromkreis kennen und können sie mithilfe des Modells der Elektronenleitung erklären. Tafelbild Die elektrische Stromstärke Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Elektronen sich in jeder Sekunde durch den Querschnitt eines elektrischen Leiters bewegen. Formelzeichen Einheiten Messgerät I 1 A, 1 mA 1 A = 1000 mA Stromstärkemesser (Amperemeter) 35 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Einfacher elektrischer Stromkreis Wasserströmungsmodell Modell der Elektronenleitung Pumpe als Antrieb Schaltbild elektrische Quelle als Antrieb Wasserrad als Verbraucher Verbraucher Glühlampe als Verbraucher Der unverzweigte Stromkreis Wasserströmungsmodell Schaltbild I I I Die Stromstärke ist überall im Stromkreis gleich groß. Es gilt: I = konstant Der verzweigte Stromkreis Wasserströmungsmodell I I1 I2 I Schaltbild I I I1 I2 Der Strom teilt sich an Verzweigungen in Teilströme auf. Es gilt: I = I1 + I2 36 Lernbereich 2: Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 4.2.2 Elektrische Spannung Die elektrische Spannung wird als eine physikalische Größe gekennzeichnet, die den Antrieb des elektrischen Stromes beschreibt. Wichtige Ergebnisse sind im Tafelbild zusammengestellt worden. Ein Schwerpunkt sind Spannungsquellen oder elektrische Quellen. Im Unterricht sollte ein Terminus in den Vordergrund gestellt werden. Dabei geht es zum einen darum, den Schülern einen Überblick über Spannungsquellen zu geben, insbesondere über solche, mit denen sie im alltäglichen Leben in Berührung kommen (Steckdose, Stromversorgungsgerät, Batterien, Akkus, Fahrraddynamo, Spielzeugtrafo, Solarzellen). Zum anderen können die Schüler mit dem Aufbau und Besonderheiten einiger dieser Spannungsquellen bekannt gemacht werden. Hier bietet es sich an, den Aufbau eines Kohle-Zink-Elements untersuchen zu lassen. Aufmerksam gemacht werden sollte auf den Unterschied zwischen nicht aufladbaren Primärelementen und aufladbaren Akkumulatoren. Verbunden werden kann das mit Hinweisen zum Laden von Ni-Cd-Akkus (Memoeffekt). Die Möglichkeit der Vergrößerung der Spannung durch Reihenschaltung einzelner galvanischer Quellen kann experimentell untersucht werden. Die Gesetze für die Spannung im unverzweigten und im verzweigten Stromkreis können weitgehend experimentell gewonnen und die Ergebnisse der Untersuchungen in einem Tafelbild zusammengefasst werden. Im Lehrbuch finden sich Anregungen, ein Projekt mit dem Titel „Galvanische Spannungsquellen“ durchzuführen. Dabei geht es sowohl um historische Bezüge als auch um Hinweise, wie historische Experimente nachgestaltet werden können. Außerdem wird ein Ausblick auf moderne elektrische Quellen gegeben. Unter der Rubrik „Physik in Natur und Technik“ wird u.a. auf Zitterfische als natürliche elektrische Quellen eingegangen. Dabei ist die Verbindung zum Biologieunterricht herzustellen. Tafelbild Die elektrische Spannung U Die elektrische Spannung gibt an, wie stark der Antrieb des elektrischen Stromes ist. V Formelzeichen Einheiten 1 V, 1 mV 1 V = 1000 mV U unverzweigter Stromkreis Messgerät Spannungsmessgerät (Voltmeter) verzweigter Stromkreis V V U V V U U1 U = U1 + U2 V U2 V U1 U2 U = U1 = U2 37 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Regeln für einen sicheren Umgang mit elektrischem Strom Der menschliche Körper kann den elektrischen Strom leiten. Schon geringe Ströme können lebensgefährlich sein. Beachte deshalb unbedingt folgende Regeln: 1. Experimentiere niemals mit elektrischen Quellen, die 25 Volt und mehr besitzen. An Steckdosen liegt eine Spannung von 230 V! 2. Berühre niemals die Pole einer Steckdose, blanke Leitungen oder Leitungen mit schadhafter Isolierung mit bloßen Händen, mit metallischen Gegenständen oder anderen Leitern (Bleistiftmine, Kugelschreibermine usw.)! 3. Baue elektrische Schaltungen immer bei ausgeschalteter elektrischer Quelle auf! Die elektrische Quelle darf erst nach Überprüfung der Schaltung eingeschaltet werden. Bei unerklärlichen Effekten ist sofort die Quelle abzuschalten und der Lehrer zu informieren. 4. Geräte mit Schukostecker dürfen nur an eine Schukosteckdose angeschlossen werden. 5. Viele Geräte und Stromkreise besitzen Sicherungen. Wenn eine Sicherung kaputtgeht, dann ist – zunächst die Ursache der Störung zu beseitigen und – erst dann eine neue Sicherung einzusetzen. Achtung: Es darf keine beliebige Sicherung verwendet werden, sondern nur eine für das Gerät oder den Stromkreis geeignete. 6. Der Umgang mit elektrischen Geräten und gleichzeitig mit Wasser (Waschbecken, Badewanne) ist lebensgefährlich. 38 Lernbereich 3: Energiewandler 4.3 Lernbereich 3: Energiewandler Das Thema ist breit angelegt und verbindet die Gebiete der Physik unter dem Aspekt energetischer Betrachtungen. Die Schüler sollen zu der Einsicht gelangen, dass man die natürliche Umwelt nur in enger Verbindung mit anderen Naturwissenschaften als komplexe Erscheinung erklären und verstehen kann. Viele praktische Probleme können deshalb nur mit fachübergreifendem Denken gelöst werden. In diesen Zusamenhang werden Vorschläge für projektorientierten Unterricht zu den Themen Regenerative Energiequellen und Gewinnung und Nutzung elektrischer Energie und Belastung der Umwelt unterbreitet. Insgesamt bietet das Stoffgebiet vielfältige Möglichkeiten, die Schüler mit den Zusammenhängen zwischen Natur, Umwelt, Energie und Gesellschaft vertraut zu machen und sie zur Nachhaltigkeit im Umgang mit Energie und Ressourcen zu erziehen. Schwerpunkte sind – Energie, Energieformen und Energieumwandlungen – Mechanische Energie und Leistung. 4.3.1 Energie, Energieformen und Energieumwandlungen Die zu erreichenden Unterrichtsziele könnten darin bestehen, dass die Schüler – am Beispiel komplexer Phänomene und technischer Anwendungen vielfältige Energieumwandlungen beschreiben, – die entsprechenden Energiewandlungsketten aufstellen können, – erkennen, dass in Energiewandlern immer eine Energieentwertung erfolgt sowie – die fundamentale Bedeutung des Energieerhaltungssatzes über die Grenzen des Physikunterrichts hinaus erkennen. Für das didaktisch-methodische Herangehen bieten sich aufgrund der Inhaltsspezifik zwei Herangehensweisen an, die partiell auch miteinander kombiniert werden können: a) Es erfolgt eine Orientierung an der Fachsystematik, ausgehend vom Begriff der Energie, den Energieformen, den Transport- und Speicherformen bis hin zu Energieumwandlungen und -flüssen bei ausgewählten Anlagen und Maschinen. b) Es erfolgt eine stärker projektorientierte Arbeit, bei der grundlegende Zusammenhänge am Beispiel erarbeitet und gefestigt werden. – – – – – Mögliche Themen sind bei einem solchen Herangehen z.B.: Energie und Energieumwandlungen im Haushalt, Transport von Energie in Natur und Technik, Speicherung von Energie in Natur und Technik, Energie für Lebensprozesse, Energie auf dem Weg zum Verbraucher. Insgesamt bietet das Thema so ein vielfältiges Angebot, dass der Lehrer auswählen muss, wenn er den empfohlenen zeitlichen Rahmen einhalten will. Die Schüler sollten von vornherein auf eine komplexe Sicht orientiert werden. Dazu gehört insbesondere auch die Einbeziehung nichtphysikalischer Bereiche, z. B. die Energieumwandlung beim Menschen, bei Tieren und bei Pflanzen. Zu Beginn können z.B. folgende Fragen angesprochen werden: – Was ist eigentlich unter Energie zu verstehen? – Welche Arten von Energie kennt ihr? – Woher kommt die Energie, die Pflanzen zum Wachsen brauchen? – Wie kann man Wärme oder Licht erzeugen? – Wie kommt die Energie vom Kraftwerk bis in den Haushalt? Damit erhält man einen Einblick in das Vorwissen der Schüler, an das man anknüpfen kann. Zugleich werden – zunächst auf umgangssprachlichem Niveau – Energieformen und Energieträger sowie Fragen der Energieumwandlung und -übertragung angesprochen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, gemeinsam mit den Schülern einen „Fahrplan“ für die nächsten Stunden zu entwickeln. Zur Klärung der Begriffe Energie und Energieumwandlung sind folgende Experimente oder Beispiele möglich: – Ein Lineal wird als Modell eines Schleuderbretts für Artisten benutzt. – Durch kräftiges Pusten wird eine Spielzeugwindmühle angetrieben. – Eine Glühlampe wird an eine Batterie angeschlossen und leuchtet. – Wir führen unserem Körper Nahrung zu. Es entsteht Wärme (Körperwärme) und wir können Arbeit verrichten. – Wenn Licht auf eine Solarzelle fällt, kann damit ein kleiner Motor betrieben werden. – Mit einem Dynamo wird eine Glühlampe zum Leuchten gebracht. – Es werden Energie und Energieumwandlungen bei Schwungradautos, Federaufzugsmodellen und Spielzeugautos mit Elektroantrieb betrachtet. 39 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Die zusammenfassende Formulierung ergibt die Definition der Energie als Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen. Die verschiedenen Energieformen und Energieträger können anhand des LB, verbunden mit einfachen Experimenten, erarbeitet werden. Eine Zusammenfassung gibt die Kopiervorlage, die als Folie oder mit Leerstellen auch als Arbeitsblatt eingesetzt werden kann. Es hat sich bewährt, den Wirkungsgrad aus der Besprechung von erwünschten bzw. unerwünschten Energieumwandlungen abzuleiten und erst dann zum Energieerhaltungssatz fortzuschreiten. Beim Wirkungsgrad muss immer am konkreten Beispiel festgelegt werden, was unter Nutzenergie zu verstehen ist. So kann man z.B. beim Pkw nicht nur die mechanische Energie, sondern auch die Energie aus der Abwärme, die zur Beheizung der Fahrgastzelle genutzt wird, als Nutzenergie auffassen. Die Schüler gelangen sehr schnell zu der Überzeugung, dass der Wirkungsgrad höchstens h = 1, aber bei realen Vorgängen kleiner 1 sein muss. Daraus kann der Energieerhaltungssatz plausibel gemacht werden, wenn den Schülern erklärt wird, dass dabei auch die nicht nutzbare Energie einbezogen werden muss. So umgeht man die für Schüler dieses Alters recht abstrakte Gültigkeitsbedingung „abgeschlossenes System“. Nach Einführung des Energieerhaltungssatzes und des Wirkungsgrades empfiehlt es sich, noch einige ausgewählte Schwerpunkte in den Mittelpunkt zu stellen, bei deren Behandlung das Wissen über Energie gefestigt wird. Dabei geht es z.B. um folgende Schwerpunkte: 1. Energieumwandlungen und Wirkungsgrad beim Menschen Erfahrungsgemäß stößt dieses Thema bei vielen Schülern auf Interesse, werden doch dabei enge Verbindungen zum eigenen Körper hergestellt. Unter der Rubrik „Fächerverbindendes Thema“ gibt das LB Anregungen unter dem Titel Energiewandler Mensch. Dabei geht es sowohl um die Betrachtung der Frage, ob auch der Mensch ein Energiewandler ist und ob der Energieerhaltungssatz auch für den Menschen gilt. Darüber hinaus werden folgende Themenbereiche untersucht: – Bestandteile der Nahrung, – Der Energiebedarf des Menschen, 40 – Grundumsatz und Leistungsumsatz sowie – Der Wirkungsgrad des Menschen. Dabei geht es u.a. um solche Fragen wie – Welche Energie ist zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge notwendig (Grundumsatz)? – Wie viel Energie nehmen wir mit der Nahrung auf? Das ist zumeist den Aufdrucken auf den Verpackungen zu entnehmen. – Wie groß ist die nutzbringende Energie bei verschiedenen Tätigkeiten? 2. Wirkungsgrade in Natur und Technik Unter diesem Thema können gemeinsam mit den Schülern die Wirkungsgrade verschiedener Anordnungen unter Einbeziehung der Wirkungsgrade für den Menschen verglichen, Fragen der erwünschten und der unerwünschten Energieumwandlungen diskutiert und die Begriffe nutzbringende und aufzuwendende Energie angewendet werden. Bei der Diskussion komplexer Anlagen, etwa vom Brennstoff in einem Kraftwerk bis zum Verbraucher, ist zu beachten, dass sich der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage aus der Gleichung hgesamt = h1 · h2 · h3 … ergibt. Wenn also ein Kraftwerk einen Wirkungsgrad von 40% hat, beim Energieübertragungssystem ein Wirkungsgrad von 80% angenommen wird und die Energiesparlampe im Haushalt einen Wirkungsgrad von 20% hat, dann beträgt der Gesamtwirkungsgrad hgesamt = 0,4 · 0,8 · 0,2 hgesamt = 0,064, also nur 6,4%. Mit solchen komplexen Betrachtungen wird Fehlvorstellungen entgegengewirkt, die bei Schülern leicht entstehen können, wenn man die Wirkungsgrade einzelner Anordnungen isoliert betrachtet. 3. Regenerative Energiequellen Ausgehend von der ökonomischen und ökologischen Situation, können die Schüler über den gegenwärtigen Stand informiert werden und den Aufbau und die Wirkungsweise von Anlagen selbst erkunden (z.B. Windrad, Sonnenkollektor). Dies kann auch in Form eines Projektes gestaltet werden. Das Lehrbuch enthält einen entsprechenden Vorschlag mit den Themenbereichen – Energie aus dem Wind, – Energie von der Sonne, – Energie aus Sonne, Wind und Wasser sowie – Energie aus den Gezeiten. Lernbereich 3: Energiewandler Arbeitsblatt / Kopiervorlage Energie, Energieformen, Energieträger Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Energieform Beispiele Energieträger potenzielle Energie Epot angestautes Wasser gehobene Körper kinetische Energie Ekin fahrendes Auto strömendes Wasser strömende Luft thermische Energie Etherm heißer Ofen heißes Wasser Flamme einer Kerze chemische Energie Echem Steinkohle, Braunkohle Erdgas, Propan Benzin, Dieselkraftstoff Heizöl Nahrungsmittel elektrische Energie Eel elektrischer Strom Kernenergie Ekern Wasserstoff, Uran, Plutonium 41 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Arbeitsblatt Energieumwandlung und -übertragung 1. Zeichne farbig den Weg des Wassers bei einem Pumpspeicherkraftwerk ein! Benenne die wichtigen Teile! Ergänze die Kette der Energieumwandlungen! potenzielle Energie des Wassers elektrische Energie (niedrige Spannung) 2. Die Heizung eines Wohnhauses erfolgt mit Heizöl. Beschreibe anhand der Skizze die Energieumwandlungen und -übertragungen! Heizkörper Ausgleichgefäß Rohrleitungen Heizkessel 42 Pumpe Lernbereich 3: Energiewandler Kopiervorlage Erneuerbare Energien Primärquellen Sonne Sonnenstrahlung Sonnenkollektor Solarzellen/ Solarkraftwerk Wasserkraft Wasserkraftwerk Wind Biomasse (Pflanzen, Tiere) Erde Technische Nutzung Sekundär- bzw. Nutzenergie elektrische Energie Windkraftwerk Kraftwerke mit Biogas oder Biomasse Heizung mit Biomasse Umweltwärme Wärmepumpe (Erdoberfläche, Grundwasser, Luft) Erdwärme Geothermisches Kraftwerk Geothermisches Heizwerk Gezeiten Gezeitenkraftwerk thermische Energie / Wärme Mond 43 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Erdwärmekraftwerk Es wird durch die Erdwärme erhitztes Wasser für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt. Größte Anlage: Larderello (Italien) Gesamtleistung: 490 MW 180 Bohrlöcher speisen die Kraftwerke mit Dampf. Kraftwerk Turbine, Generator Pumpe kaltes Wasser heißes Wasser bzw. Dampf 3 000 bis 5000 m Tiefe 44 GRANIT 150 °C bis 300 °C Lernbereich 3: Energiewandler Kopiervorlage Gezeitenkraftwerk Ebbe und Flut werden für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt. Größte Anlage: St. Malo (Frankreich) Leistung: 240 MW (24 Turbinen) Durch einen Damm ist eine 22 km2 große Bucht abgeriegelt. bei Flut Damm abgeriegelte Bucht Meer Turbine Generator Damm bei Ebbe abgeriegelte Bucht Meer Turbine Generator 45 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung 4.3.2 Mechanische Energie und mechanische Leistung Bei der Behandlung dieses Kapitels geht es um – den Begriff und die Formen der mechanischen Energie, – die Abhängigkeiten der potenziellen Energie eines gehobenen Körpers und die Gleichung zur Berechnung der potenziellen Energie, – die Umwandlung und Erhaltung von mechanischer Energie sowie – den Begriff und die Abhängigkeiten der mechanischen Leistung. An einfachen Beispielen können den Schülern die verschiedenen Formen der mechanischen Energie näher gebracht und demonstriert werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der potenziellen Energie eines gehobenen Körpers. Mithilfe von Experimenten kann plausibel gemacht werden, dass die Lageenergie eines Körpers umso größer ist, – je höher der Körper gehoben wird und – je größer die Gewichtskraft des Körper ist. Dabei ist die Höhe, um die der Körper gehoben wird, genau zu definieren. Nicht immer ist der Erdboden die entsprechende Bezugsebene. Es sollte auch erörtert werden, was in diesem Zusammenhang die Höhe h = 0 bedeutet. Die Energieumwandlungen sollten an solchen Beispielen wie einem Fadenpendel, einer SkateboardBahn, einer Schraubenfeder und einem Trampolin beschrieben werden. Dabei ist immer wieder hervorzuheben, – welche Energieformen ineinander umgewandelt werden und – was die Angaben der Werte null und maximal bedeuten. Der Energieerhaltungssatz der Mechanik ist als ein Spezialfall des allgemeinen Energieerhaltungssatzes einzuführen. Tafelbild Die mechanische Energie Die Energie, die Körper aufgrund ihre Lage oder ihrer Bewegung haben, wird als mechanische Energie bezeichnet. Mechanische Energie potenzielle Energie Lageenergie kinetische Energie Spannenergie Epot = FG · h Abhängigkeiten der Lageenergie: FG Einheiten: 1 Joule (1 J) 1 Newtonmeter (1 Nm) 1 J = 1 Nm FG h1 46 FG1 FG2 h2 h Lernbereich 3: Energiewandler Die Einführung der mechanischen Leistung als Arbeitsgeschwindigkeit bereitet i.A. keine Schwierigkeiten, wenn man von konkreten Beispielen ausgeht. Dazu eigenen sich u.a. folgende Beispiele: – Menschen gleicher Masse steigen in unterschiedlichen Zeiten eine Treppe hoch. – Menschen unterschiedlicher Masse steigen in der gleichen Zeit eine Treppe hoch. – Körper unterschiedlicher Gewichtskraft werden in gleicher Zeit eine bestimmte Strecke gehoben bzw. ein Körper wird in unterschiedlichen Zeiten diese Strecke gehoben. Wichtig ist, dass anhand der Beispiele den Schülern die Zusammenhänge deutlich werden: Die Leistung ist umso größer, – je kürzer die Zeit ist, in der eine bestimmte Energie umgewandelt bzw. übertragen wird oder – je größer die umgewandelte bzw. übertragene Energie in einer bestimmten Zeit ist. Die Zusammenhänge können in einem Tafelbild verdeutlicht werden. Für die Festigung bietet das LB ein Aufgabenangebot. Darüber hinaus bieten sich folgende Schwerpunkte an, die für Schüler erfahrungsgemäß interessant sind, aus denen der Lehrer, eventuell zusammen mit seinen Schülern, aber auswählen sollte: 1. Damit die Schüler Größenvorstellungen von Leistungen erhalten, könnten sie die Leistungen von Fahrzeugen erkunden. Dabei stoßen die Schüler z.B. bei Autos auf Leistungsangaben in PS. Im Interesse der Lebensverbundenheit des Unterrichts sollte man auf diese Einheit mit eingehen. 2. Interessant ist für viele Schüler die Frage, wie groß die eigene Leistung ist und damit natürlich auch, wie man sie bestimmen kann. Zu unterscheiden ist dabei stets zwischen Leistungen über eine längere Zeit hinweg (hier sind 100W bis 200W möglich) und Leistungen, die nur in einem kurzen Zeitraum erbracht werden können (z.B. beim Hochsprung oder beim Gewichtheben; die Höchstleistungen liegen bei ungefähr 1,5 kW). Für solche Leistungsbestimmungen, die man auch als Wettbewerb zwischen den Schüler gestalten kann, eignet sich besonders das Treppensteigen. Gewichtskraft der Schüler und Höhe der Treppenstufen lassen sich leicht bestimmen, die Zeit kann mit einer Stoppuhr gemessen werden. Tafelbild Die mechanische Leistung Die mechanische Leistung gibt an, wie viel mechanische Energie in jeder Sekunde umgewandelt bzw. übertragen wird. umgewandelte bzw. übertragene Energie Leistung = --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Zeit Nm J Einheiten: 1 ---- = 1 ---------- = 1 W (1 Watt) s s gleiche Energie in verschiedener Zeit E1 = E2 t1 < t2 P1 > P2 E P = --t 1 PS = 736 W verschiedene Energie in gleicher Zeit E1 < t1 = P1 < E2 t2 P2 47 Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches 5 Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches Kräfte Mechanische Kräfte (LB S. 27) 1. Das Experiment erfordert die Anwendung der erworbenen Kenntnisse zum hookeschen Gesetz. Während es unter a) um die Planung des Experiments geht, sollen die Schüler unter b) ihre Vorschläge erproben. Letztlich wird mit Wägestücken unterschiedlicher, aber bekannter Masse eine Feder gedehnt. Die Ausdehnungen sind jeweils zu markieren. Ausgehend von diesen Markierungen kann eine weitere Unterteilung der Skala erfolgen. 2. Da die Schüler unterschiedliche Lineale verwenden und auch die Experimentieranordnung individuell vornehmen, werden sie auch zu unterschiedlichen Durchbiegungen kommen. Das Experiment erfordert genaue Messungen, eine maßstabsgerechte Darstellung der Messwerte im Diagramm und eine sachgerechte Interpretation des Graphen. Die Teilaufgabe d) eignet sich zur Differenzierung für Schüler, die besonders zügig arbeiten. Diesen Schülern sollte auch genügend Freiraum zum Probieren gegeben werden. 3. Dieses einfache Experiment bereitet inhaltlich das Hebelgesetz vor. Je weiter die Pappe in die Schere geschoben wird, umso leichter fällt es, die Pappe zu schneiden. 4. Je kleiner die Stücken sind, umso schwerer fällt es, sie zu zerbrechen. Physikalisch bedeutet das: Je kürzer die Kraftarme werden, umso größer sind die aufzubringenden Kräfte. 5. Beschreibung der Beobachtung: Bei einer bestimmten Neigung des Lineals beginnt der Radiergummi zu rutschen. Erklärung: Mit zunehmender Neigung verringert sich die Haftreibung und geht in die Gleitreibung über. dann wird die Büroklammer ebenfalls angezogen. Hält man zwischen den Magneten und die Büroklammer ein Stück Papier oder Holz, dann ist dieselbe Wirkung zu beobachten. Wird ein Eisenblech verwendet, dann ist keine Wirkung zu beobachten. b) Die Büroklammer wird magnetisiert, wenn der Südpol eines Stabmagneten genähert wird. Wird der Nordpol genähert, dann erfolgt die Ausrichtung der Elementarmagnete in entgegengesetzter Richtung, sodass sich beide wiederum anziehen. Diese Magnetisierung erfolgt durch Papier und Holz hindurch. Ein Eisenblech ist dagegen selber magnetisierbar und verringert die Kraftwirkung auf die Büroklammer. 4. Stehen sich ungleiche Pole gegenüber, dann ziehen sich die beiden Magnete an, bei gleichen Polen stoßen sie sich ab. 5. Die Nägel werden selbst zu kleinen Magneten. Sie richten sich im magnetischen Feld so aus, wie die Feldlinien verlaufen. 6. Die Kraftwirkungen von zwei Stabmagneten verstärken sich, wenn sich gleiche Pole nebeneinander befinden; sie schwächen sich ab, wenn sich ungleiche Pole nebeneinander befinden. 7. Der schwimmende Magnet richtet sich im Magnetfeld der Erde aus. Der Nordpol des Stabmagneten zeigt in Richtung Süden des Erdmagnetfeldes, der Südpol dementsprechend nach Norden. Weitere Anordnungen sind: drehbar gelagerte Magnetnadel, horizontal frei drehbarer Stabmagnet, magnetisierte Stopf- oder Stricknadel bzw. Nägel. Voraussetzung ist jeweils, dass sich keine starken Magnete in der Nähe der Anordnungen befinden. 8. Nachdem der Nagel magnetisiert wurde, wird er in einer Schlinge horizontal frei drehbar aufgehängt. 9. a) Oben zeigt der Nordpol der Kompassnadel in Richtung Heizkörper, unten der Südpol. b) Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes verlaufen nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern sind gegen diese geneigt (Inklination, i ≈ 67°). Entsprechend richten sich die Elementarmagnete im Eisen des Heizkörpers aus (s. Skizze). 6. Es ist zweckmäßig, den Federkraftmesser horizontal zu befestigen, damit gleichmäßig an der Unterlage (normales Papier und Sandpapier) gezogen werden kann. Auf diese Weise wird der Übergang von der Haft- zur Gleitreibung gut spürbar und auch sichtbar am Federkraftmesser. Für beide Unterlagen gilt: Die Haftreibungskraft ist größer als die Gleitreibungskraft. Im Falle des Sandpapiers sind sowohl die Haft- als auch die Gleitreibungskraft größer als bei Verwendung von normalem Papier. Magnete und magnetisches Feld (LB S. 42– 43) 1. Angezogen werden nur Körper aus ferromagnetischen Stoffen. 2. An den Polen eines Stabmagneten ist die magnetische Kraftwirkung am größten und wird zur Mitte hin immer geringer. So können an den Polen z.B. mehrere Nägel angezogen werden; in der Mitte fällt jeder Nagel ab. 3. a) Das Experiment wird entsprechend der Abbildung durchgeführt: Die Büroklammer wird jedes Mal an derselben Stelle positioniert. Der Abstand des Magneten zur Büroklammer wird notiert. Dreht man den Magneten um, 48 10. Es gibt zwei Möglichkeiten: 1. Der Magnet wird drehbar gelagert. Die Seite, die in nördliche Himmelsrichtung weist, ist der magnetische Nordpol. 2. Der Magnet wird in die Nähe eines zweiten Magneten gebracht, bei dem die Lage der Pole bekannt ist. Aus der Anziehung (ungleiche Pole) oder der Abstoßung (gleiche Pole) kann man auf die Pole des Magneten schließen. 11. Die Magnetnadel wird abgelenkt. Beim Anlegen einer Spannung bildet sich um den Draht (die Spule) ein Magnetfeld, das die Kompassnadel beeinflusst. Sie stellt sich so ein, dass sie in Richtung dieses Magnetfeldes zeigt. Dabei ist zu beachten, dass das Magnetfeld der Spule in der Regel wesentlich stärker ist als das Magnetfeld der Erde. Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches 12. a) Um eine quantitative Aussage über die Höchstlast machen zu können, kann die Masse der Körper mit einer Waage bestimmt werden. b) Vor der experimentellen Untersuchung sind die Schüler zu Hypothesen anzuregen. Variiert werden sollte die Verstärkung der elektrischen Quelle (Parallelschaltung von zwei Batterien), die Anzahl der Wicklungen um den Nagel sowie die Anzahl der Nägel als Spulenkern. 13. Die Durchführung des Experiments 12 hat bereits die inhaltlichen Grundlagen für die Durchführung dieses Experiments gelegt. Die Schüler erkennen, dass ein Elektromagnet umso stärker ist, je größer die anliegende Spannung und damit der Strom ist, der durch die Spule fließt. Das Experiment lässt Spielraum zur Differenzierung, indem die Schüler angeregt werden, mit Spulen unterschiedlicher Windungszahl zu experimentieren. geströmt ist. Der Strom, der in derselben Zeit das Gefäß mehr füllte, ist der größere. 2. Wird an die Lampe eine kleine Spannung angelegt, dann leuchtet sie nur schwach, bei größerer Spannung leuchtet sie heller. Das kann erreicht werden, indem die Spannung an der elektrischen Quelle verändert wird oder indem z.B. eine 4 VLampe mit einer Flachbatterie (4,5 V) bzw. mit einer Monozelle (1,5 V) verbunden wird. 3. Es gibt folgende Möglichkeiten: Elektrostatische Kräfte (S. 56) 1. Die ausführliche Beschreibung der zu verwendenden Materialien und der Durchführung ermöglichen es, den Bau des Ladungsmessgerätes als Auftrag für zu Hause zu erteilen. Die Funktionstüchtigkeit der Anordnungen sollte im Unterricht vorgeführt werden. Gleichzeitig kann dieses Ladungsmessgerät in anderen Experimenten mit einbezogen werden. 2. a) Nähert man einen aufgeladenen Gegenstand aus Plastik dem trockenen Salz, dann beginnt dieses zu „tanzen“. b) Im trockenen Salz kommt es infolge von Influenz zu einer Ladungstrennung, sodass sich ungleichartige Ladungen gegenüberstehen, die sich gegenseitig anziehen. 3. Zwischen dem Lineal und dem Wasser wirken elektrostatische Kräfte. Die Teilchen, aus denen das Wasser besteht, sind schon von Natur aus elektrische Dipole. Unter normalen Bedingungen sind diese Dipole ungeordnet. Nähert man aber einen geladenen Körper, dann richten sich die Dipole so aus, dass sich ungleichartige Ladungen gegenüberstehen. Diese ziehen sich an. 4. Der Luftballon wird abgestoßen oder angezogen, je nachdem, welche Ladung die Körper tragen, die dem Ballon genähert werden. 5. Die beiden Plastikstreifen stoßen sich ab, weil sie durch das Reiben gleichartig aufgeladen wurden. Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 4. Vorbereitung: In einem unverzweigten Stromkreis ist die elektrische Stromstärke an allen Stellen gleich groß. Schaltplan: A A A Auswertung: Das Gesetz kann bestätigt werden. Nur Messgerätefehler und Ablesefehler könnten die Genauigkeit beeinflusst haben. 5. Das Gesetz kann bestätigt werden: In einem verzweigten Stromkreis ist die Gesamtstromstärke I bzw. I3 gleich der Summe der Teilstromstärken I1 und I2. 6. In diesem Experiment geht es darum, dass die Schüler auf der Basis ihrer bisher erworbenen Kenntnisse Voraussagen treffen können, die sie im Experiment bestätigen sollen. Unter a) müssen sie erkennen, dass die Stromstärkemesser I1 und I6 die gleiche Stromstärke anzeigen. Ebenso die übrigen I2, I3, I4 und I5. Unter b) finden sie heraus, dass I1 = I2 + I4 ist. c) Die Helligkeit der Lampen muss gleich sein. Die elektrische Stromstärke (LB S. 68) Die elektrische Spannung (LB S. 81) 1. Ein Wasserhahn wird einmal mehr, dann weniger aufgedreht. Variante A: Für beide Fälle wird die Zeit gemessen, in der ein 1-LiterGefäß gefüllt wurde. In dem Fall, in dem das Füllen schneller ging, ist der Strom größer. Variante B: Für beide Fälle wird das Volumen des Wassers gemessen, das in einer bestimmten Zeit, z.B. in einer Minute, in ein Gefäß 1. Mit dieser Aufgabe festigen die Schüler vor allem ihre Fertigkeiten im Umgang mit einem Vielfachmessgerät. 2. Flachbatterie (4,5 V): Lampe leuchtet nur schwach Monozelle (1,5 V): Lampe leuchtet nicht Blockbatterie (6 V): Lampe leuchtet hell Blockbatterie (9 V): Lampe würde durchbrennen, weil Betriebsspannung überschritten würde 49 Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches 5. In einem verzweigten Stromkreis sind die Teilspannungen gleich der Gesamtspannung. 3. Vorbereitung: Schaltplan Schaltplan: V V V Auswertung: a) Die Messwerte sind für die jeweiligen Einstellungen der elektrischen Quelle gleich. b) Fehler könnten durch Messgerätefehler und Ablesefehler aufgetreten sein. c) Die Klemmenspannung an der elektrischen Quelle und die Spannung an der Glühlampe sind gleich. 4. Vorbereitung: In einem unverzweigten Stromkreis ist die Summe der Teilspannungen gleich der Spannung an der elektrischen Quelle. Schaltplan: V Auswertung: Das Gesetz kann bestätigt werden. Nur Messgerätefehler und Ablesefehler könnten die Genauigkeit beeinflusst haben. 50 V Auswertung: Das Gesetz kann bestätigt werden. Nur Messgerätefehler und Ablesefehler könnten die Genauigkeit beeinflusst haben. 6. Die Flachbatterien sind in Reihe zu schalten: Der Pluspol der ersten wird mit dem Minuspol der zweiten, der Pluspol der zweiten mit dem Minuspol der dritten Quelle und der Minuspol der ersten über die Lampe mit dem Pluspol der dritten Batterie verbunden. V V V 7. Je mehr Kochsalz in das destillierte Wasser geschüttet wird, um so besser leitet die Flüssigkeit den Strom. Zitterfische wie der Zitterrochen erzeugen im Vergleich zu den Zitteraalen kleinere Spannungen. Da die Zitterrochen jedoch im Salzwasser leben, das ein besserer elektrischer Leiter als Süßwasser ist, reicht diese Spannung aus, um wirksame elektrische Schläge austeilen zu können. Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 6 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches Kräfte Projekt: Reibung im Straßenverkehr (S. 24–26) 1. Erkundungsaufgabe 2. Erkundungsaufgabe 3. Die Reibungskraft, die der Bewegung entgegenwirkt, ist auf einem Sandweg wesentlich größer als auf einer asphaltierten Straße. 4. Die Veränderungen beziehen sich vor allem auf die Glätte der Fahrbahn: Bei Eis und Schnee sind die Reibungskräfte wesentlich geringer. Als Konsequenz ergibt sich: die Bremswege verlängern sich. Bei Kurvenfahrten muss man mehr aufpassen, weil bei geringeren Reibungskräften die Gefahr des „Ausrutschens“ besteht. 5. Experiment 6. Bei Regen, Schnee und Eis sollte man beachten, dass – sich Anfahr- und Bremswege infolge der geringeren Reibung vergrößern, – der Sicherheitsabstand vergrößert werden muss, um Auffahrunfälle zu vermeiden, – Kurven langsamer durchfahren werden müssen, damit die Fahrzeuge nicht herausgetragen werden. 7. Experiment Mechanische Kräfte (S. 28–31) 1. a) Hand und Ball Die Hand wirkt auf den Ball, der Ball auf die Hand. b) Wind und Baum Luftströmung wirkt auf Baum, elastische Kraft des Baumes bremst den Wind. c) Radfahrer – Bremse – Bereifung – Boden Radfahrer wirkt auf Bremse, Bremse wirkt auf Beinmuskeln, Bremsscheiben wirken auf Bereifung, gebremstes Rad wirkt auf Boden, Boden auf das Rad. d) Finger – Büroklammer Finger wirken auf das Metall, Metall auf die Finger. 2. Beispielsweise: – Die Lösung der Rechenaufgabe hat mich viel Kraft gekostet. – Der Mann ist kräftig. – Die Kraftsuppe war schmackhaft. 3. Ronaldo behauptet von sich selber bei jeder Gelegenheit, dass er sehr stark sei. Seine Mitschüler sehen ihn als Angeber. Physikalisch gesehen ist die Größe Kraft keine Eigenschaft eines Körpers, sondern Körper können Kräfte auf andere Körper ausüben. Ronaldo könnte in der Lage sein, größere Muskelkräfte als seine Mitschüler auf andere Körper auszuüben. 4. Die Stahlfeder wird mit jedem Wägestück von 0,1 N um etwa 2 cm länger, wenn man von Messfehlern absieht. Das Gummiband wird ungleichmäßig länger. a) s in cm Gummiband 14 12 8. Erkundungsaufgabe 9. Erkundungsaufgabe Hinweis: Die wesentlichen Unterschiede zwischen Sommerund Winterreifen bestehen in der Profilform und in der Härte der Reifen. Daraus ergeben sich die Vorteile bei der Nutzung unter den jeweiligen Bedingungen. 10 Feder 8 6 10. Durch eine Antischlupfregelung wird erreicht, dass die Räder eines Fahrzeuges nicht „durchdrehen“, also ständig die Haftreibungskraft und nicht die kleinere Gleitreibungskraft wirkt. Erreicht wird dieser Effekt durch Sensoren, die die Drehzahl der Räder mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abgleichen. 11. Ursachen für den Effekt ist, dass die Haftreibungskraft zwischen Reifen und Straße größer ist als die Gleitreibungskraft. 12. Die Länge des Bremsweges wird in der Regel durch ABS nicht beeinflusst. Wenn die Bremse bei einem Fahrzeug mit ABS nicht hinreichend kräftig betätigt wird, dann spielt ABS keine Rolle. Es wird nicht wirksam. Somit erreicht man beim Bremsweg auch kein Minimum. Hinweis: Untersuchungen haben ergeben, dass bei Fahrzeugen mit ABS der Bremsweg sogar länger sein kann, wenn ein ungeübter Fahrer sich von dem typischen Geräusch beim Wirksamwerden von ABS irritieren lässt und dann das Bremspedal nicht hinreichen kräftig betätigt. 4 2 0,1 0,2 0,3 0,4 F in N Die Messwerte für die Stahlfeder liegen in etwa auf einer Geraden; die für das Gummiband kann man durch keine Gerade verbinden. b) Bei einer elastischen Stahlfeder ist die Verlängerung proportional zur angreifenden Kraft. Sie geht immer wieder in ihre Ausgangslage zurück. Ein Gummiband wird ungleichmäßig länger. Das wird besonders bei großen Kräften deutlicher, wenn der Gummi seine Elastizität verliert. 51 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 5. a) beispielsweise: – Stein wird abgeworfen. – Ball wird aufgefangen. – Durch kräftiges Treten in die Pedale wird ein Fahrrad beschleunigt. – startende Rakete. b) beispielsweise: – Verformen eines Expanders. – Verbiegen eines Nagels. – Biegen eines Lineals. – Verformen von Knete oder Ton. c) beispielsweise: – Ball zum Zeitpunkt des Abschießens. – Tennisschläger zum Zeitpunkt eines Schlages. – Auto bei einem Auffahrunfall. 6. a) Durch die Knautschzone wird erreicht, dass die Fahrzeuginsassen auf einer etwas längeren Strecke abgebremst werden und damit die Gefahr schwerer Verletzungen verringert wird. Es erfolgt eine plastische Verformung des Autos. b) Wenn die Karosserien der Autos elastisch wären, so würden sie alle voneinander abprallen (ähnlich wie zusammenstoßende Bälle) und danach auf weitere Autos treffen. 7. Das ältere Auto sinkt tiefer, weil seine Federn mit der Zeit und verschiedenen Belastungen einem Verschleiß unterliegen. Sie werden weicher. Zwei Kästen mit Limonade führen deshalb bei dem älteren Auto zu einer größeren Stauchung der Feder als bei einem neuen Auto. 8. 0,5 cm A 1,0 N F1 A 3,0 N F2 A 10,4 N F3 A 1,8 N F4 A 2,8 N F5 A 4,0 N 2 cm A 10,0 N F1 A 7,5 N F2 A 26,0 N F3 A 4,5 N F4 A 7,0 N F5 A 10,0 N 9. Der Abstand zwischen 0 N und 8 N wird in 8 gleiche Teile geteilt. Bei einer Feder ist die angreifende Kraft der Auslenkung proportional: s ~ F. Für eine Skala bedeutet das: Die Skaleneinteilung ist gleichmäßig (linear). 10. Ja, mit 420 N (Wechselwirkungsgesetz). 11. a) Erde: 147 000 N Mond: 24 500 N b) Die Mondlandeeinheit hatte etwa die 15-fache Gewichtskraft eines Pkw. 12. Es muss Reis zugegeben werden, um 10 N zu erhalten, da der Ortsfaktor am Äquator kleiner ist als an den Polen. 13. a) Einseitiger Hebel: Kräfte greifen am Griff an. b) Einseitiger Hebel: Kräfte greifen am Hebelarm und am Papier an. c) Einseitige Hebel: Kräfte greifen an einer Seite an. d) Zweiseitige Hebel: An der einen Seite wirkt die Kraft der Hand, an der anderen Seite wirkt die Kraft auf Gegenstände (Rohr, Schraubenmutter, Papier). 14. Hebel sind z.B. – Pedalarme: zum Antrieb des Fahrrades – Handbremse: zum Betätigen der Bremse – Lenker: zum Lenken des Rades – Klingel: zum Signalgeben – Zahnkranz vorn und hinten: zur Kraftübertragung. 52 15. Die Kraft auf die Bleche muss groß sein, um sie zu zerschneiden, deshalb wird der Kraftarm kurz gewählt (kurze Schneide). Um die Muskelkraft effektiv einzusetzen, wird ein großer zweiter Kraftarm gewählt (langer Griff). 16. Entscheidend ist das Verhältnis des Lastarms zum Kraftarm l2 : l1. l2 muss möglichst klein, l1 möglichst groß sein. Das ist im Fall b) besser erfüllt als im Fall a). Im Fall b) braucht man deshalb die geringere Kraft, weil l2 / l1 = F1 / F2 gilt. 17. Es gilt: Da F1 = 2 F2, muss l2 = 2 l1 sein. 2m 2m l1 l2 F2 F1 18. Da das Verhältnis F2 : l2 konstant bleiben soll, muss bei einem kürzeren Hebelarm l1 eine größere Kraft F1 angreifen (Hebelgesetz). Deshalb muss dicht an der Drehachse eine größere Muskelkraft aufgebracht werden als am Ende der Zange. 19. Bei nassen Fliesen ist die Haftreibungskraft geringer als bei trockenen Fliesen. Wasser wirkt als „Schmiermittel“. Deshalb besteht bei nassen Fliesen erhöhte Rutschgefahr. 20. Beim Stehen des Schlittens wirkt die Haftreibungskraft. Um den Schlitten in Bewegung zu setzen, muss eine größere Kraft als die Haftreibungskraft wirken. Ist der Schlitten in Bewegung, so wirkt die kleinere Gleitreibungskraft entgegen der Bewegung. 21. 5 Pakete A 1 Hase + Paul d.h. Paul A 5 Pakete – 1 Hase (*) 1 Hase A 3 Pakete – 2 Katzen und 1 Hase = 4 Katzen 6 Katzen A 3 Pakete 2 Katzen A 1 Paket eingesetzt in (*) ergibt sich Paul A 5 Pakete – 3 Pakete + 2 Katzen Variante 1: Paul A 2 Pakete + 2 Katzen oder Variante 2: Paul A 6 Katzen oder Variante 3: Paul A 3 Pakete 22. Um eine Last von 100 N zu halten, muss durch die Muskeln die achtfache Kraft von 800 N aufgebracht werden. F = 64 000 N. 23. Tom, der beim Anheben der Kiste in die Knie geht, entlastet seine Wirbelsäule, indem er die Beinmuskeln arbeiten lässt. 24. Die Schultasche bzw. der Rucksack sollten möglichst schmal gepackt werden, um die Zugkräfte nach unten in Richtung der Wirbelsäule zu verringern. Dicke Schultaschen erzeugen wegen des langen Hebelarms ein großes Drehmoment. Durch die Wahl hoher, schmaler Formen mit übereinander liegenden Fächern und zusätzlichem Beckengurt können die Wirkungen auf die Wirbelsäule verringert werden. 25. Hangabwärts wirkt die Hangabtriebskraft (als Komponente der Gewichtskraft). In entgegengesetzter Richtung wirken die Gleitreibungskraft und die Luftwiderstandskraft. Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 26. Grobe Profile der Schuhsohlen erhöhen die Haftreibung beim Laufen, glatte Sohlen verringern sie. Das vermindert die Sicherheit. 27. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten: – Nutzung der hinten angebrachten Flächen zum Abbremsen, – bei geringen Geschwindigkeiten Drehen des Fußes um 90°, so dass die Gleitreibung bzw. die Haftreibung wirksam wird, – fallen lassen (Nutzung der Gleitreibung). 28. Mit Kugellager: Rollreibung, kleinere Reibungskräfte als bei Gleitreibung ohne Kugellager: Gleitreibung, größere Reibungskraft als bei Rollreibung 29. Haft- und Gleitreibungskräfte werden durch Unterlegen von Tüchern, Speckschwarte oder Rollen verkleinert. 30. Türscharniere: Angestrebt ist eine geringe Reibung, damit die Tür leicht beweglich ist. Öl verringert die Reibung. Bremsen: Angestrebt ist eine große Reibung, damit die Bewegung des Fahrzeuges abgebremst wird. 31. Bei nasser Fahrbahn ist die Haftreibungskraft geringer als bei trockener Fahrbahn. 32. Im Bereich der Ölspur ist die Reibung relativ gering. Für Motorradfahrer und Radfahrer bedeutet das erhebliche Sturzgefahr. 33. Da die Räder nicht blockieren, wirkt statt der Gleitreibungskraft immer die größere Haftreibungskraft. Dadurch bleibt die Lenkbarkeit des Fahrzeuges erhalten. Hinweis: ABS ist nur im Extremfall wirksam. Der Bremsweg wird durch ABS kaum beeinflusst. 34. a) Die Reibungskraft zwischen dem Fahrrad und dem Radweg sowie zwischen der Luft und dem Fahrrad mit Fahrer. b) Das Fahrrad rollt umso weiter, je geringer die Rollreibung und der Luftwiderstand sind, und je schneller man fuhr, bevor man sich „austrudeln“ ließ. c) Beim gleichmäßigen Treten in die Pedale wird die Kraft zur Überwindung der ständigen Reibungskraft zwischen Rad und Radweg benötigt. 35. Die Papierkugel trifft schneller auf dem Boden auf als das unzerknüllte Blatt, weil im Falle der Kugel die Luftreibung viel kleiner ist. 36. Das Fortbewegen im tiefen Wasser ist anstrengend, weil das Wasser verdrängt werden muss und zwischen Körper und Wasser Reibungskräfte wirken. 37. Die Kleidung der Radrennfahrer bietet dem Fahrtwind durch Form und Oberflächenbeschaffenheit immer weniger Widerstand, so dass die Reibungsverluste klein gehalten werden. 38. a) Diagramm FR in N b) Gewichtskraft und Gleitreibungskraft sind einander proportional. FG ~ FR . 39. Schülervortrag 40. Schülervortrag Magnetische Kräfte (S. 44– 45) 1. a) Am Halter befindet sich ein Magnet, an der Seife ein Stück Eisen. b) Der Schraubendreher ist magnetisch und hält damit insbesondere kleine Schrauben. c) In dem Büroklammerspender befindet sich ein Magnet, sodass Büroklammern an ihm haften. d) Meist befindet sich im Schrank der Magnet, an der Schranktür ein Plättchen aus Eisen. 2. Kühlschrankmagnete, Haftmagnete für Pinnwände, Haft– magnete an Experimentiergeräten für vertikale Demonstrationen 3. Man bringt die Stäbe in die Nähe von Eisen (Nägel, Schrauben). Der Körper, der die Körper aus Eisen anzieht, ist der Magnet. 4. Auch die beiden Teile sind magnetisch, ihre magnetische Wirkung ist jedoch geringer. 5. Wird der obere Magnet umgedreht, dann ziehen sich beide Scheibenmagnete an, weil sich ungleiche Pole gegenüberstehen. 6. Die Elementarmagnete verlieren durch starke mechanische Erschütterungen ihre Ausrichtung. 7. Das Magnetfeld der Erde ist so aufgebaut, dass die magnetischen Pole in der Nähe der geografischen Pole liegen. Eine Magnetnadel richtet sich in diesem Magnetfeld folglich in Nord – Süd – Richtung aus. 8. Im Verlauf der Zeit verliert sich die Ausrichtung der Elementarmagnete. 9. Es gibt im Wesentlichen drei Fehlerquellen: – Die Kompassnadel befindet sich in der Nähe von Permanentmagneten oder von Elektromagneten. – Die Kompassnadel befindet sich in der Nähe von Gegenständen aus Eisen, die sich lange Zeit in einer bestimmten Position im Erdmagnetfeld befinden (Geländer, Heizkörper, Brücken, Träger in Gebäuden) und dadurch selbst zu (schwachen) Magneten geworden sind. – Die Kompassnadel befindet sich in der Nähe von Erdfeldanomalien (z.B. Lagerstätten von Magneteisenstein). 10. Die Nadel stellt sich so ein, dass ihr Südpol senkrecht nach unten zeigt. In der Antarktis befindet sich der magnetische Nordpol. Zwischen ihm und dem Südpol der Magnetnadel wirken anziehende Kräfte. 1,5 11. Für das Gehäuse eines Kompasses kann man nur Materialien verwenden, die nicht magnetisierbar sind. Sonst werden die Wirkungen des Erdmagnetfeldes auf die Kompassnadel verfälscht. 1,0 0,5 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 FG in N 53 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 12. Möglichkeiten: – Man bringt eine Magnetnadel (Kompass) in den Raum. – Man benutzt einen Körper aus einem ferromagnetischen Stoff, den man drehbar lagern kann. ein. Die mit ihr verbundene Membran schwingt im gleichen Rhythmus. Elektrostatische Kräfte (S. 57–58) 13. Wenn man die Stromrichtung ändert, dann ändert sich auch die Richtung der Feldlinien. 14. a) Magnetfeld, das sich um einen geraden stromdurchflossenen Leiter ausbildet b) Stabmagnet oder stromdurchflossene Spule 15. Der Dauermagnet aus einem Fahrraddynamo hat nicht nur einen Nord- und Südpol, sondern vier Nordpole und vier Südpole. Die Feldlinien verlaufen jeweils vom Nord- zum Südpol. 16. Internetrecherche 1. Negativ. Durch das Reiben erfolgt eine Ladungstrennung. 2. Ausziehen eines Pullovers – Haare sträuben sich – Funken springen über. Hinabgehen einer Treppe, Hand gleitet am Handlauf aus Plastik – elektrischer Schlag bei Annäherung an Stahlkonstruktion. Gewitter – Blitze zwischen den Wolken und Erde oder von Wolke zu Wolke. Lineal am Pullover reiben – Papierstückchen werden angezogen. Bandgenerator – Funken springen zwischen den Kugeln über. 17. 3. Der drehbar gelagerte Plastikstab reagiert auf geladene Körper, die in seine Nähe gebracht werden. S N 18. Die Spulenkerne sind keine Dauermagnete, weil erst durch das Abschalten des Stroms am Lasthebemagneten die Schrottteile abfallen können. 19. Schülervortrag 20. Innerhalb eines Dauermagneten befindet sich eine leicht drehbare Spule mit Eisenkern. Fließt ein Strom durch die Spule, baut sich um die Spule ein Magnetfeld auf. Beide Magnetfelder beeinflussen sich. Je nach der Polung, kommt es zu einer Drehung der Spule und damit des Zeigers nach links oder rechts. Der Ausschlag ist umso größer, je größer die Stromstärke durch die Spule ist. 21. Mit einem Relais kann durch Öffnen oder Schließen des einen Stromkreises ein zweiter Stromkreis geschlossen oder geöffnet werden. 22. Wichtige Teile: Spule mit Anker, Anker mit Feder und wagnerschem Hammer, Stellschraube, Glocke. Beim Schließen des Stromkreises wird die Spule von einem Strom durchflossen. Um die Spule baut sich ein magnetisches Feld auf, dessen Wirkung durch den Eisenkern verstärkt wird. Durch den Elektromagneten wird der Anker angezogen, der wagnersche Hammer schlägt auf die Glocke. Zugleich wird der Kontakt an der Stellschraube geöffnet, es fließt kein Strom mehr und damit kann der Anker von der Feder zurückgezogen werden. Der Kontakt schließt sich. Der Vorgang beginnt erneut. 23. Über einem Dauermagneten befindet sich eine leicht bewegliche Membran, die mit einer leichten Spule (Schwingspule) verbunden ist. Diese Spule befindet sich im Magnetfeld des Dauermagneten. Im Lautsprecher kommen die in elektrischen Strom unterschiedlicher Stärke umgewandelten Schallwellen an. Der Strom durchfließt die Schwingspule. Sie wird dadurch selbst zum Magneten. Je nach der Stromstärke bewegt sie sich mehr oder weniger tief in das Feld des Dauermagneten hin- 54 4. Da die Elektrode aufleuchtet, die das Plastiklineal berührt, kann man daraus schließen, dass das Lineal negativ geladen ist. 5. Die Styroporkugeln werden angezogen. Sie „kleben“ am Kamm. Durch Reiben wird der Plastikkamm aufgeladen. Nähert man den Kamm den Styroporkugeln, so erfolgt in ihnen Ladungstrennung durch Influenz. Die Kräfte zwischen unterschiedlichen Ladungen bewirken das „Kleben“ der leichten Styroporkugeln. 6. Wenn man die Glimmlampe einem negativ geladenen Körper nähert, dann leuchtet die Elektrode auf, die den Körper berührt. Bei Berührung eines positiv geladenen Körpers leuchtet die dem Körper abgewandte Elektrode auf. 7. Internetrecherche 8. a) Wenn man die geladene Kugel dem Elektroskop nähert, dann schlägt der Zeiger aus. b) Beim Nähern der Kugel erfolgt auf Metallstab und Zeiger Ladungstrennung durch Influenz. Die Kugel des Elektroskops ist negativ, Zeiger und unterer Teil des Metallstabes sind positiv geladen. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, zeigt der Zeiger einen Ausschlag. 9. Das geladene Elektroskop wird entladen. Der Zeigerausschlag geht zurück. 10. Feuchte Luft sorgt für einen schnellen Ladungsausgleich. Die Ladungsträger fließen sofort an die Umgebung ab. 11. In jedem Falle tritt Reibung (enge Berührung) zwischen verschiedenen Stoffen auf. Dadurch kommt es zur Ladungstrennung. Der Ladungsausgleich erfolgt häufig durch kleine „Blitze“. Hinweis: Die bei solchen Vorgängen auftretenden Spannungen sind meist größer als 103 V. Ladungen und Stromstärken sind so klein, dass Gefährdungen des Menschen durch elektrischen Strom auszuschließen sind. Nicht ungefährlich sind allerdings Schreckreaktionen. 12. a) Durch die enge Berührung erfolgt eine Aufladung. Die Kräfte zwischen ungleichnamigen Ladungen bewirken, dass das Papier an der Schreibtischunterlage „klebt“. Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches b) Beim Kämmen der Haare, beim Ausziehen von Kleidungsstücken, bei Kunststoffmappen. 13. Ein „elektrischer Schlag“ ist ein Ladungsausgleich in Form eines Stromstoßes zwischen dem menschlichen Körper und einem anderen Körper. 14. siehe Aufg. 11. 15. Durch die Reibung kommt es zu einer Ladungstrennung. Der menschliche Körper ist aufgeladen. Beim Berühren eines metallischen Gegenstandes kommt es zu einem Ladungsausgleich, einem elektrischen Schlag. 16. Durch die enge Berührung zwischen Rolle und Garn kann es zu Aufladungen kommen, die durch Funken ausgeglichen werden. Um solche Funkenbildungen und die damit verbundene Brandgefahr zu vermeiden, werden die Rollen geerdet. 17. Es muss ein Ladungsausgleich geschaffen werden. Das gelingt dadurch, dass der geladene Körper mit einem Körper entgegengesetzter Ladung verbunden wird. Wird der geladene Körper mit einem Körper neutraler Ladung verbunden, dann wird die Ladung geteilt und damit verringert. 18. Durch die Berührung kommt es zur Ladungstrennung und zu anziehenden Kräften zwischen ungleichnamigen Ladungen. 19. Die Mattscheibe von Fernsehgeräten lädt sich meist geringfügig auf. Durch Kräfte zwischen Ladungen wird bewirkt, dass sich Staubteilchen bevorzugt ablagern. 20. Ein Bandgenerator besteht aus einer großen und einer kleinen metallischen Kugel. Über Rollen läuft ein Gummiband, an dem Kontakte aus Kunststoff eng anliegen. Wird das Gummiband bewegt, dann reibt der untere Kontakt am Gummiband. Es erfolgt eine Ladungstrennung. Negative Ladungen fließen zur kleinen Kugel, positive Ladungen werden zur großen Kugel transportiert. Solange das Gummiband gedreht wird, geht dieser Prozess vor sich. 21. a) Die Skizze zeigt das Feldlinienbild zwischen einer Spitze und einer Platte. Aus dem unterschiedlichen Abstand der Feldlinien ergibt sich: Das Feld ist in der Nähe der Spitze stärker als in der Nähe der Platte. b) siehe a). Da vereinbarungsgemäß die Dichte der Feldlinien ein Maß für die Stärke des Feldes ist, ergibt sich: An der Spitze ist das Feld stärker als an der Platte. 22. Ein elektrisches Feld existiert in der Wirklichkeit. Ein Feldlinienbild ist ein Modell des real existierenden Feldes. 23. a) BENJAMIN FRANKLIN wurde 1706 in Boston als 15. Kind eines Seifensieders geboren und wuchs in sehr ärmlichen Verhältnissen auf. Er begann mit 12 Jahren eine Buchdruckerlehre und gründete 1728, nach einem zweijährigen Aufenthalt in England, eine Buchdruckerei. FRANKLIN bekleidete zahlreiche öffentliche Ämter. Er war z.B. Generalpostmeister sämtlicher englisch-amerikanischer Kolonien. Er war einer der Vorkämpfer für die amerikanische Unabhängigkeit und Mitverfasser der amerikanischen Unabhängigkeitserklärung. 1776 bis 1785 war er erster Gesandter der USA in Frankreich. Auf physikalischen Gebiet wurde er durch Arbeiten über die Luftelektrizität bekannt. Seine Untersuchungen zu Blitzen führten zur Erfindung des Blitzableiters. Er beschäftigte sich auch mit der Konstruktion von Lüftungs- und Entlüftungsanlagen, mit dem Nordlicht und mit meteorologischen Erscheinungen. FRANKLIN starb 1790 in Philadelphia. (ausführliche Biografie: www.schuelerlexikon.de) b) Blitzableiter sind Eisenstäbe, die die höchsten Stellen eines Gebäude bilden. Wenn ein Blitz einschlägt, dann dort. Der elektrische Strom des Blitzes wird über dicke Eisendrähte in die Erde abgeleitet. c) Nicht auf Bergspitzen oder unter Bäumen aufhalten, sondern in eine Kuhle legen oder hocken. Stromstärke und Spannung in Stromkreisen Elektrische Stromstärke (S. 69–70) 1. Es strömen a) Fahrzeuge, b) Wasser, c) Menschen, d) Schüler. Man ermittelt die Anzahl bzw. Menge der strömenden Teile, die eine bestimmte Stelle passieren, in einer bestimmten Zeit. 2. a) 9 l je Minute; 0,15 l je Sekunde b) 540 l/h = 9 l/min = 0,15 l/s 3. Wenn die Lampe hell leuchtet, dann bewegen sich in einer Sekunde mehr Ladungsträger (Elektronen) durch den Leiterquerschnitt als wenn die Lampe nur schwach leuchtet. 4. Nur in einem Fall fließt ein Strom durch die Lampe (Abb. links im Lehrbuch). Dort ist je ein Pol der Flachbatterie mit je einer Anschlussstelle der Lampe (Sockel, Kontakt) verbunden. Im zweiten Fall (Abb. rechts) ist der Stromkreis auch geschlossen, aber beide Pole der Flachbatterie liegen an derselben Anschlussstelle der Lampe (Sockel). Deshalb fließt der Strom nicht durch die Lampe, sondern unmittelbar von einem zum anderen Pol der Batterie (Kurzschluss). 5. a) Die Rückleitung erfolgt über den Rahmen. b) Fahrradrahmen Rückstrahler Dynamo Scheinwerfer Kabel c) Wenn ein blankes Kabel am Rahmen anliegt, so leuchtet die betreffende Lampe nicht, da ein Kurzschluss besteht. Hinweis: Zumeist leuchtet die Lampe auch in diesem Falle, weil allein schon die Lackschicht des Fahrradrahmens ausreichend isoliert. 6. Es gibt mehrere Möglichkeiten: – Es könnte ein Kurzschluss bestehen, wenn ein blankes Kabel am Rahmen anliegt: Kabel erneuern. – Die Glühlampe ist lose oder durchgebrannt: festziehen oder auswechseln. – Ein Kontakt ist lose oder verschmutzt oder verrostet: festziehen oder säubern oder entrosten. 55 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches – Der Dynamo liegt nicht fest genug an der Bereifung an: Stellung verändern. Projekt: Galvanische Spannungsquellen (S. 76–77) 1. Erkundungsauftrag 7. Nicht in allen Stromkreisen sind Stromstärke und Spannung so gering, dass stromführende Teile berührt werden können, ohne Schaden zu nehmen. Außerdem gibt es viele Stromkreise, deren Bestandteile nicht durch Metallkonstruktionen leitend verbunden sind. 2. Präsentation der Ergebnisse von Auftrag 1 3. Experiment 4. Experiment 8. Aufbau: Zwei Schalter, die parallel geschaltet sind, befinden sich mit einem Gerät, z.B. einer Wohnungsklingel, in Reihe. Wirkungsweise: Die Klingel kann betätigt werden, indem einer der beiden Schalter geschlossen wird. 9. a) Schaltung A: Lampe 1 leuchtet, auch wenn Lampe 2 aus der Fassung geschraubt worden ist, und umgekehrt. Schaltung B: Wenn Lampe 1 aus der Fassung geschraubt wird, dann leuchtet Lampe 2 nicht und umgekehrt. b) Die Glühlampen 1 und 2 leuchten jeweils in beiden Schaltungen gleich hell. (In der Schaltung A leuchten sie jedoch heller als in der Schaltung B). 10. Schülerauftrag 11. a) b) c) d) 2 400 mA; 270 mA; 80 mA 0,32 A; 0,081 A; 0,006 A 0,014 A; 0,280 A; 4,650 A 1 800 mA; 750 mA; 23 mA 5. Experiment 6. Experiment 7. Festgestellt wird ein Aufbau wie im LB S. 77 Abb. 1. Bei kleinen Monozellen vom Typ AA ist kein Kohlestift vorhanden. Dort befindet sich vielmehr ein Zinkstift in der Mitte, der von Kohle umgeben ist. 8. Häufig verwendete Batterien sind – 4,5-V-Block – 1,5-V-Batterien (Baby, Mignon, AA, AAA) – 1,5-V-Knopfzellen. 13. Die Wahl des größten Messbereichs verhindert, dass bei hohen Stromstärken die Sicherung des Gerätes durchbrennt. 9. Wiederaufladbare Batterien sind ihrem Wesen nach Akkumulatoren. Sie werden mitunter auch so bezeichnet. Es gibt sie in unterschiedlichen Bauarten. Bei allen Arten von Akkumulatoren besteht das Prinzip darin, dass sich bei Nutzung die Elektroden verändern und keine Spannung mehr zur Verfügung steht, wenn die Elektroden chemisch gleich sind. Beim Aufladen werden diese Veränderungen wieder rückgängig gemacht. Dazu ist Energie erforderlich, die den Akkumulatoren durch ein Ladegerät zugeführt wird. Ein „Überladen“ ist prinzipiell möglich, wird aber bei modernen Ladegeräten verhindert. 14. Ein Strommesser ist in Reihe zum elektrischen Gerät zu schalten, um die Stromstärke zu messen, die durch den Zweig fließt, in dem sich das elektrische Gerät befindet. Elektrische Spannung (S. 82) 12. a) A: 1,6 mA; B: 3,6 mA; C: 5,8 mA; D: 8,4 mA b) A: 16 mA; B: 36 mA; C: 58 mA; D: 84 mA c) A: 50 mA; B: 110 mA; C: 180 mA; D: 260 mA 15. I3 = 2,1 A; I4 = 2,5 A Die Stromstärke durch den Motor ergibt sich als Differenz aus der Gesamtstromstärke und der Stromstärke durch die Lampe. I4 ist gleich der Gesamtstromstärke. 16. In Schmelzsicherungen befindet sich ein Schmelzdraht, der von Sand umgeben ist. Überschreitet der Strom, der durch einen Stromkreis und damit auch durch die Sicherung fließt, einen bestimmten Wert, dann schmilzt der Draht. Der Stromkreis wird unterbrochen. Schmelzsicherungen nutzen die Wärmewirkung des elektrischen Stroms. 17. I = 9,4 A + 3,5 A; I = 12,9 A; I > 10 A Bei Zuschaltung des Mikrowellenherdes unterbricht die Sicherung den Stromkreis. 18. a) I1 = I6 ; I2 = I3 = I4 = I5 b) I1 = I2 + I4 c) Beide Lampen sind gleich hell. 1. a) 12 500 mV; 8 300 mV; 360 mV b) 15 kV; 6,8 kV; 0,23 kV c) 110 000 V; 220 000 V; 380 000 V 2. a) A: 0,5 V; B: 1,1 V; C: 1,75 V; D: 2,6 V b) A: 1,6 V; B: 3,6 V; C: 5,6 V; D: 8,4 V c) A: 10 V; B: 22 V; C: 35 V; D: 52 V 3. Die Funktion des elektrischen Gerätes wird erst bei Einhaltung der Betriebsspannung gewährleistet. Wird die Betriebsspannung deutlich unterschritten, dann bleibt die Wirkung aus. Beispielsweise reagiert ein Föhn mit einer Betriebsspannung von 230 V nicht, wenn er mit einer Spannung von 110 V betrieben wird. Beim Überschreiten der Betriebsspannung kann dieses zur Zerstörung des Gerätes (z.B. Durchbrennen einer Lampe) oder zum Durchbrennen der Sicherung des Gerätes führen. 4. Die Wirkungen der elektrischen Geräte sind nicht in dem Maße gewährleistet, da der Antrieb des elektrischen Stromes geringer ist; u. U. arbeiten die Geräte gar nicht. 19. Schaltplan: 230 V ~ 5. Da alle Geräte im Haushalt mit der Betriebsspannung von 230 V zu betreiben sind, müssen sie parallel geschaltet werden (Gesetz für die Spannungen im verzweigten Stromkreis). L1 56 L2 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 6. Schaltplan: A V 7. Der Strom, der durch die Lampe fließt, ist zu gering, um die Heizwendel zum Glühen zu bringen. 8. Carola muss die Polung der Monozellen und die vorgegebene Schaltung beachten. 9. In der linken Schaltung fällt am Widerstand ebenfalls 6 V ab, weil die Summe der Teilspannungen gleich der Gesamtspannung ist. In der rechten Schaltung fällt am Widerstand eine Spannung von 12 V, weil im verzweigten Stromkreis in jedem Teilkreis dieselbe Spannung anliegt. 10. Bei dieser Schaltung entfällt auf jede Kerze die gleiche Teilspannung von 23 V. Diese ist nur etwas größer als die Betriebsspannung der Kerzen und führt nicht zu deren Zerstörung. 11. Bei einer Reihenschaltung von zwei gleichartigen Bauelementen wird die angelegte Gesamtspannung halbiert: U = U1 + U2 . 12 V 5. Experiment a) Die Schleuderhöhe hängt ab von – der Kraft, mit der das Lineal gebogen wurde, – der Elastizität des Lineals und – der Masse des Radiergummis. b) Radiergummi gleicher Masse, etwa gleich große aufgewendete Kraft: Die Höhe ist beim Plastiklineal größer als beim Lineal aus Holz. gleiches Lineal, etwa gleich große aufgewendete Kraft: Die Höhe ist beim schwereren Radiergummi geringer als beim leichten. c) Federspannenergie des Lineals → kinetische + potenzielle Energie des Radiergummis. 6. a) Mögliche Energieträger: Heizöl, Erdgas, Kohle, Warmwasser b) Heizöl, Erdgas und Kohle besitzen chemische Energie. Warmwasser besitzt thermische Energie. Hinweis: Mit den Schülern könnte diskutiert werden, ob denn auch kaltes Wasser (Leitungswasser) thermische Energie besitzt. Mit einer solchen Diskussion kann einem weitverbreiteten Missverständnis, dass nur warmes Wasser Energie besäße, entgegengewirkt werden. c) Chemische Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Bei Warmwasser erfolgt eine Umwandlung von höherwertiger thermischer Energie in niedrigwertige thermische Energie. Geht man von einer Warmwasserheizung aus, dann wird chemische Energie in thermische Energie umgewandelt. Diese thermische Energie wird verteilt und letztendlich an die Umgebung abgegeben. Dabei geht insgesamt keine Energie verloren. Sie wird aber auf andere Körper und die Umgebung übertragen. 7. a) b) c) d) e) 6V 6V Energiewandler Energie, Energieformen und Energieumwandlungen (S. 101–102) 1. a) b) c) d) Ekin → Epot → Ekin Ech → Eth → Epot + Ekin Ech → Eth + ELicht Ech → Epot + Ekin elektrische Energie in kinetische Energie elektrische Energie in thermische Energie chemische Energie in kinetische Energie potenzielle Energie in kinetische Energie und umgekehrt chemische Energie in thermische Energie 8. Die potenzielle Energie des Wassers wird in kinetische Energie des Wassers umgewandelt. Die kinetische Energie des Wassers wird in der Turbine in kinetische Energie (Rotationsenergie) der Turbine umgewandelt. Die kinetische Energie der Turbine wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Bei allen diesen Energieumwandlungen wird ein Teil der Energie in thermische Energie umgewandelt. 9. Nötig ist eine Region, in der es nicht nur ausreichend Wasser gibt, das gestaut werden kann, sondern auch genügend große Täler, umsäumt von Bergen. 10. 2. Bedingungen: bewegtes Wasser, aufgestautes Wasser, erwärmtes Wasser fast überall verfügbar kann über weite Strecken übertragen werden ist eine „saubere“ Energieform ermöglicht den Betrieb von elektrischen Geräten und Anlagen, die wiederum Energiewandler sind, sowohl im Haushalt als auch in der Industrie – kann mit hohem Wirkungsgrad in andere Energieformen umgewandelt werden – Die Wirkungen des elektrischen Stromes werden in vielen praktischen Anwendungen genutzt. 4. Schülervortrag elektrische Energie 3. – – – – Elektromotor mechanische Energie Generator Elektrolysezelle Akkumulator chemische Energie Kochplatte thermische Energie Thermoelement Energiesparlampe Solarzelle Lichtenergie 57 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 11. Pflanzen nehmen Wasser und Mineralsalze über die Wurzeln sowie Kohlenstoffdioxid aus der Luft über die Blätter auf. Daraus bilden sie im Prozess der Fotosynthese unter Einstrahlung von Licht den organischen Stoff Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff, der über die Blätter an die Umgebung abgegeben wird. Lichtenergie wird in chemische Energie der Glucose umgewandelt. Unter den Kohlehydraten ist die Stärke der wichtigste Energiespeicherstoff der Pflanze. 12. a) elektrische Energie → thermische Energie der Heizwendel, Entwertung durch Übertragungsverluste an die Umgebung b) elektrische Energie → Rotationsenergie des Motors (Saugwirkung), Entwertung durch Erwärmung der Umgebung c) elektrische Energie → Lichtenergie, Entwertung durch geringfügige Erwärmung der Umgebung d) elektrische Energie → Rotationsenergie der Mixstäbe, Entwertung durch Erwärmung des Motors und des Rührgutes 13. 35% der Energie des Dieselkraftstoffs werden in nutzbringende Energie umgewandelt, d.h. in Bewegungsenergie. 14. 9 Liter der Tankfüllung werden für die Bewegung des Autos genutzt. 15. Mit Energieverlust ist die Energie gemeint, die bei Energieumwandlungen nicht erwünscht ist, weil sie nicht nutzbar gemacht werden kann, z.B. die thermische Energie, die ebenfalls entsteht, wenn in einer Glühlampe elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. Energie kann nicht verloren gehen, sondern wird nur in andere Formen umgewandelt. 16. Peter meint, dass in der heller leuchtenden Lampe mehr elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. Bei gleicher Spannung (Parallelschaltung) ist der Stromfluss durch die Lampe mit der Leistung 60 Watt 2,4-mal größer als durch die Lampe mit 25 Watt. 17. Das Pendel schwingt hin und her. Schon bei der ersten Schwingung erreicht es nicht mehr seine ursprüngliche, größte Auslenkung. Bei der Umwandlung der potenziellen Energie in kinetische Energie und umgekehrt sind auch unerwünschte Energieumwandlungen aufgetreten, nämlich die Umwandlung durch Reibung (Luft, Aufhängung des Pendels) in thermische Energie. 2. Der Mensch nimmt mit der Nahrung energiereiche organische Stoffe auf. Nährstoffe sind Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße. Während der Verdauung werden diese Stoffe in kleinste wasserlösliche Bestandteile zerlegt. Diese werden in das Blut bzw. in die Lymphe aufgenommen und zu den Zellen transportiert. Dort erfolgt der Aufbau körpereigener energiereicher Stoffe. Diese dienen einerseits als Körpersubstanz, andererseits stellen z. B. Fette und tierische Stärke wichtige Speicherstoffe dar. Wenn der Körper Energie benötigt, werden die körpereigenen Stoffe wieder abgebaut und in den Mitochondrien der Zellen wieder „veratmet“. Dabei erfolgt eine Reaktion mit Sauerstoff. Bei dieser sogenannten inneren Atmung entstehen anorganische energiearme Stoffe. Bei diesem Prozess wird Energie frei gesetzt, von der nur ein Teil für den Organismus nutzbar ist. Der andere Teil wird in Form von thermischer Energie an die Umgebung abgegeben. 3. a) Chemische Energie in Nahrungsmitteln ist für den Menschen hochwertige Energie, weil sie lebensnotwendig ist. Ebenso die Sonnenenergie. Sie ist Voraussetzung für alles Leben auf der Erde. Heiz- und Brennstoffe liefern uns Wärme- und Lichtenergie. b) Da aus der in Nahrungsmitteln gespeicherten Energie körpereigene Substanz gebildet wird, ist diese Energie in ebenfalls als chemische Energie in körpereigener Substanz gespeichert. Beim Abbau der Substanz wird Energie freigesetzt. Einen Teil dieser Energie nutzt der Körper zur Aufrechterhaltung aller Lebensprozesse. c) Beim Abbau energiereicher Substanz wird ein Teil der Energie in Form von Wärme angegeben, die nicht mehr nutzbar ist. Hochwertige Energie wird in minderwertige Energie umgewandelt. Damit erfolgt eine Energieentwertung. 4. a) Erkundungsaufgabe b) Zuordnung nach Abbildung S. 106 im Lehrbuch c) Folgerung: Man muss bewusst auf eine ausgewogene, gesunde Ernährung achten. 5. a) E = 619,5 kJ b) Erkundungsaufgabe c) Erkundungsaufgabe 6. Fisch, Fleisch, Eier 10% Fett und Süßigkeiten 5% 18. Erkundungsaufgabe 19. Solaruhren verfügen über einen Akkumulator, der die elektrische Energie speichert, die für die Funktionstüchtigkeit der Uhr erforderlich ist. Milch und Milchprodukte 10% Brot- und Getreideprodukte 40% Fächerverbindendes Thema: Energiewandler Mensch (S. 104–109) 1. In einem abgeschlossenen Bereich kann Energie weder erzeugt, noch vernichtet werden. Sie wird nur von einer Form in die andere umgewandelt. Das gilt prinzipiell auch für biologische Systeme, wie den menschlichen Körper. Jedoch handelt es sich dabei um ein offenes System, d.h., es erfolgt eine Zufuhr und eine Abgabe von Stoffen und Energie. Wenn kein Austausch mit der Umgebung mehr nachweisbar ist, bedeutet das den Tod des Lebewesens. 58 Obst 17% Gemüse 18% 7. Um annähernd korrekte Werte zu erhalten, müsste jedes Nahrungsmittel gewogen werden. Aus dem Vergleich mit den Richtwerten kann eine Übereinstimmung oder eine Abweichung nach oben oder unten festgestellt werden. Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 8. a) Die überschüssige Energie wird in körpereigener Substanz gespeichert. Dabei wird zunächst tierische Stärke gebildet und in der Leber gespeichert. Ist dieser Speicherplatz gefüllt, werden diese Stoffe in Fett umgewandelt und im Körper in entsprechenden Depots gespeichert. b) Die betreffende Person müsste weniger Energie aufnehmen als sie „verbraucht“. Hinweis: Deutliche und nachhaltige Effekte sind hierbei nur längerfristig zu erzielen. 9. Säulendiagramm 15000 16. a) Schwimmen gilt als besonders gesund, weil viele Muskelgruppen beansprucht werden. Es schont die Gelenke und trainiert den Kreislauf. b) Der Wirkungsgrad von 3% ist gering. Demnach wird viel Energie für eine relativ geringe Wirkung benötigt. Schwimmen ist also besonders dann günstig, wenn man seine Energiebilanz negativ gestalten will. 17. Ein Viertel der Energie, das sind 2 100 kJ, wird für die Fortbewegung genutzt. Die übrige Energie wird zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse benötigt. 10–12 13–14 15–18 19–35 Mechanische Energie und mechanische Leistung (S. 117–118) 1. Fadenpendel: Lageenergie kinetische Energie Lageenergie Federschwinger: Spannenergie kinetische Energie Spannenergie Aufgrund von Reibung nehmen die Beträge der jeweiligen Energien ständig ab. 9250 10100 10500 10900 12600 9250 9000 9650 11350 12000 6000 2. a) b) c) d) kinetische Energie potenzielle Energie Spannenergie (potenzielle Energie) Lageenergie (potenzielle Energie) 3. Potenzielle Energie: z.B. Gegenstände auf einem Tisch in Bezug auf einen Fußboden, Dachziegel in Bezug auf das Fundament eines Hauses, Bergsteiger in Bezug auf den Fuß des Berges, aufgezogene Feder im Spielzeug. Kinetische Energie: z.B. fahrendes Auto, fließendes Wasser, rollender Ball, Geschoss. 3000 4. Das kann nur sein, wenn die Gewichtskraft von Jens Vater dreimal so groß ist wie die Gewichtskraft von Jens. 0 männlich weiblich 10. a) Birgit: E = 2600 kJ Klaus: E = 3640 kJ b) E = 11880 kJ 11. Es sind sehr unterschiedliche Varianten möglich. Der Schwerpunkt bei Diskussionen sollte auf der Vielseitigkeit und der Vollwertigkeit der Nahrung liegen. 12. a) 100 g Joghurt: 300 kJ 20 g Butter: 600 kJ 50 g Honig: 508 kJ 100 g Brötchen: 1 130 kJ Der Energiegehalt beträgt insgesamt 2 538 kJ. b) Damit sind 21,2% des Tagesbedarfs gedeckt, also etwa ein Fünftel. 13. Der Grundumsatz für die betreffende Altersgruppe kann berechnet werden mit der Gleichung: GU = 6,2 kJ/(kg · h) · m · t Er sollte deutlich unter 10 000 kJ liegen. Der Grundumsatz ist nur die Energie, die zur Aufrechterhaltung aller Lebensprozesse benötigt wird. Er berücksichtigt nicht die Energie zur Realisierung der unterschiedlichsten Aktivitäten. 14. Nur 20% der mit der Nahrung aufgenommenen Energie werden für das Gehen aufgebracht. 15. Viele Maschinen, z.B. Elektromotoren, erreichen einen höheren Wirkungsgrad als der Mensch. 5. a) Die potenzielle Energie ist gleich dem Produkt aus der Gewichtskraft der Wasserflasche von 10 N und der Tischhöhe. b) Wegen h = 0 ist die potenzielle Energie gegenüber der Tischplatte gleich null. (Die Dimension der Flasche wird vernachlässigt.) 6. Die große zerstörerische Wirkung ergibt sich aus der großen kinetischen Energie der Schnee- und Gerölllawinen. Diese ist umso größer je größer die Schnee- und Geröllmassen sind und je größer ihre Geschwindigkeit ist. 7. Die kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Die Bremsbeläge und die Reifen werden erwärmt. Ekin 8. Epot Ein Teil der Energie wird in thermische Energie umgewandelt. 9. Katrin und Michael wählen unterschiedliche Bezugsebenen für die Betrachtung der Höhe des gehobenen Bechers. Michael hat die potenzielle Energie des Bechers in Bezug auf den Fußboden und Katrin in Bezug auf die Tischplatte angegeben. 10. a) Abwurf: kinetische Energie Aufstieg: Abnahme der kinetischen und Zunahme der potenziellen Energie Umkehrpunkt: potenzielle Energie Abstieg: Abnahme der potenziellen und Zunahme der kinetischen Energie Ausgangspunkt: kinetische Energie Die auftretende Luftreibung kann vernachlässigt werden. b) Epot = 60 J 59 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 11. Die Kugel rollt bis h2. Angenommen, es tritt keine Reibung auf, dann wird die gesamte potenzielle Energie der Kugel zunächst in kinetische Energie und dann wieder in potenzielle Energie umgewandelt. Das bedeutet, dass sich der Mittelpunkt der Kugel in der Ausgangs- und Endposition auf derselben Höhe befindet. 12. Nein, weil bei allen Maschinen immer ein Teil der zugeführten Energie in thermische Energie umgewandelt wird. 13. Da beide Artisten gleich schwer sind, kann man den Wirkungsgrad aus dem Verhältnis der beiden Höhen ermitteln: h = 1,80 m / 2 m = 0,9. Der Wirkungsgrad beträgt 90%. Wahlpflichtbereich: Kraftwandler früher und heute (S. 121–124) 1. Erkundungsauftrag 2. a) Wendet man die Goldene Regel auf eine geneigte Ebene an, so ergibt sich: Je weniger eine Ebene geneigt ist, desto kleiner ist die erforderliche Zugkraft und desto länger ist der Weg. b) Man muss die sich berührenden Oberflächen glätten oder Schmiermittel (z.B. Wasser) verwenden. Außerdem sollte man die Kraft vermindern, mit der die Körper aufeinander gepresst werden, also Steine mit möglichst kleiner Gewichtskraft verwenden. 3. Experiment 14. a) Die dem Staubsauger zugeführte Energie wird in kinetische Energie des Motors (nutzbar) und in thermische Energie (nicht nutzbar) umgewandelt. b) Die potenzielle Energie des Rammbärs wird in kinetische Energie (nutzbar) und in thermische Energie (nicht nutzbar) umgewandelt. 15. Das Pendel setzt seine Bewegung auf einem Kreisbogen fort, der mit dem Radius der kurzen Pendelschnur gebildet wird. Es erreicht wieder beinahe genau die Höhe im Punkt A (kleine Abweichung durch geringfügige Reibung). Durch die Behinderung ändern sich die Energieverhältnisse nicht, sodass die maximale kinetische Energie vollständig in potenzielle umgewandelt wird, die der Energie der Ausgangsposition in Punkt A entspricht. 16. a) Kinobesuch gönnen, bezahlen b) Der neue Staubsauger verrichtet in der derselben Zeit mehr Arbeit als der alte. c) Leistungen entsprechen Ergebnissen, oft in Noten gemessen d) Bezahlt wird nach der Arbeit, die in einer bestimmten Zeit verrichtet wurde. Nur in den Aussagen b) und d) wird der physikalische Leistungsbegriff verwendet. 17. a) b) c) d) 30 W 360 000 Ws = 0,1 kWh 4s 176 W 18. Der Autofahrer hat nicht Recht. 80 PS entsprechen etwa 59 kW. Das andere Auto ist also leistungsstärker. 19. P = E/t = FG · h/t P = 20 000 N · 5 m/900 s = 100 kJ/900 s = 111,1 W 20. Die Leistung von Tina ist 1,4-mal so groß wie die Leistung von Lisa. Da FG = const. und h = const. und P ~ 1/t, ist das Verhältnis der Leistungen gleich dem umgekehrten Verhältnis der benötigten Zeiten. 21. Experiment 22. P = E/t = FH · h/t P = 750 N · 970 m / 9000 s = 727 500 Nm/ 9000 s = 80,8 W 23. Experiment 60 4. Erkundungsauftrag 5. a) Der Flaschenzug besteht aus zwei festen und zwei losen Rollen. b) Durch die beiden losen Rollen der Anordnung wird die Kraft der Last zweimal halbiert, beträgt also nur noch ein Viertel. Es gilt: FZ = 1/4 FL. 6. Die Winde kann als Hebel betrachtet werden. Es gilt: F1 · l1 = F2 · l2 bzw. F1/F2 = l2/l1. Wenn man nur die Hälfte der Gewichtskraft F1 aufbringen will, muss die Länge des Kurbelarms l2 doppelt so groß sein wie der Radius der Walze l1. Aus F1 : F2 = 1 : 2 folgt l2 : l1 = 2 : 1. 7. Die Zugkraft ist gleich der Gewichtskraft des Kübels, also 200 N. 8. a) b) c) d) FZ = (400 N + 15 N) : 2 = 207,5 N sZ = 2 · 5 m = 10 m Es muss eine größere Zugkraft aufgebracht werden. Auf dem Boden ist die potenzielle Energie des Sackes null. In der Höhe von 5 m beträgt sie: Epot = 400 N · 5 m = 2 000 J = 2 kJ. 9. Die Goldene Regel besagt: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen. Nutzt man z.B. eine Brechstange als einseitigen Hebel und will möglichst wenig Kraft aufwenden, dann wählt man einen möglichst langen Kraftarm. Gleichzeitig ist dann der Weg s größer als beim kurzen Kraftarm. Auch der Schraubenschlüssel ist ein Beispiel für einen einseitigen Hebel. Je länger der Schraubenschlüssel, desto kleiner die aufzuwendende Kraft und desto größer der zurückgelegte Weg. 10. Experiment 11. Bauaufzüge oder Aufzüge für Möbeltransport: Es werden Gegenstände transportiert. Bergstraßen und Treppen: Die Neigung ist so gewählt, dass sich Fahrzeuge und Personen sicher bewegen können. Dächer: Es wird eine Neigung gewählt, so dass z.B. Regenwasser abfließt. Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches Wahlpflichtbereich: Elektrische Schaltungen (S. 125–128) 1. a) Zwei Lampen befinden sich mit einer galvanischen Quelle und einem Schalter in Reihe. Der Schalter ist geschlossen. b) Ein Motor und ein Widerstand wurden in Reihe an eine elektrische Quelle geschlossen. Parallel zum Widerstand ist ein Spannungsmesser geschaltet, mit dem die Spannung gemessen werden kann, die am Widerstand abfällt. 2. a) b) 7. Die Temperaturregelung in einem Bügeleisen erfolgt durch einen Bimetallschalter. Dieser besteht aus einem Bimetallstreifen (Eisen und Zink) und einem Kontakt. Erhöht sich die Temperatur des Bügeleisens, so verbiegt sich der Bimetallstreifen und der Schalter wird geöffnet. Die Heizung wird abgeschaltet. Dadurch sinkt die Temperatur. Der Bimetallstreifen biegt sich in seine ursprüngliche Lage zurück. Ab einer bestimmten Stelle schließt er wieder den elektrischen Kontakt und die Heizung wird erneut in Betreib gesetzt. c) ~ 230 V 8. Bau eines Feuermelders ~ 230 V Kaffeemaschine A 9. Die Glühlampe muss sich zwischen den Kontakten A und B befinden. Toaster 10. a) Schaltplan für den Steuerstromkreis V Wasserkocher Eierkocher 3. Schaltplan: V b) Schaltplan für den Arbeitsstromkreis: A V V 4. a) So wie der Schalter an der eingezeichneten Stelle eingebaut ist, wird nur durch die untere Lampe ein Strom fließen. Wird der Schalter an der Stelle A und danach an der Stelle B eingebaut, dann wird durch beide Lampen kein Strom fließen. An der Stelle C wird nur durch die obere Lampe ein Strom fließen. b) Experiment zur Prüfung der Voraussagen 5. Experiment a) Schaltplan: c) Experiment 11. Experiment Ergebnis: Der Motor läuft erst dann, wenn beide Schalter gleichzeitig geschlossen sind. 6. a) Parallelschaltung b) Schaltplan: 12. Mit der UND-Schaltung wird erreicht, dass ein Gerät erst dann eingeschaltet wird, wenn Schalter 1 und Schalter 2 geschlossen werden. 13. Experiment M 14. Mit der ODER-Schaltung wird erreicht, dass ein Gerät eingeschaltet wird, wenn entweder der Schalter 1 oder der Schalter 2 geschlossen wird. 15. Bau eines Labyrinths 61 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches 16. a) Schaltplan: 5. Die Papierblätter nähern sich. Das liegt daran, dass durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft zwischen den Blättern der Druck kleiner als der Luftdruck wird. Durch den äußeren Luftdruck werden die Blättern zusammengedrückt. Metallring dicker Draht Klingeldraht Befestigungen b) Experiment Wahlpflichtbereich: Vom Fliegen (S. 129–132) 1. Erkundungsauftrag 2. Schautafel anfertigen 6. Das gewölbte Stück Papier wird in den Luftstrom hineingezogen. Da an der Oberseite des Papiers die Strömungsgeschwindigkeit größer als an der Unterseite ist, wirkt auf die Fläche oben eine geringere Kraft als auf die Fläche unten. Damit wirkt insgesamt eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. 7. Experiment a) Ergebnisse: Je größer die Strömungsgeschwindigkeit, desto größer die Auftriebskraft. Je größer der positive Anstellwinkel, desto größer die Auftriebskraft. b) Experiment 8. a) b) c) d) Das Flugzeug bewegt sich schräg nach oben, es steigt. Das Flugzeug bewegt sich schräg nach unten, es sinkt. Das Flugzeug bewegt sich beschleunigt, es wird schneller. Das Flugzeug wird gebremst, es wird langsamer. 3. Erkundungsauftrag 9. Erkundungsauftrag 4. Experiment 10. Erkundungsauftrag 62 1 Kräfte Kräfte Mechanische Kräfte 1 2 3 Kräfte bewirken die Änderung der Bewegung oder der Form von Körpern. Trage Beispiele dafür in die Tabelle ein! Bewegungsänderung durch Kräfte Formänderung durch Kräfte Abwerfen eines Balles Verbiegen eines Nagels Anfahren eines Autos Dehnen einer Feder Abbremsen eines Fahrrades Durchbiegen eines Regals Biegen eines Astes Verformen von Ton Anheben eines Koffers Schmieden eines Hufeisens Richtung F Betrag Die Einwirkung von Körpern aufeinander ist immer wechselseitig. Zeichne in die Skizze jeweils die wirkenden Kräfte ein! a) 4 Angriffspunkt Kräfte sind gerichtete Größen und werden durch Pfeile dargestellt. Bezeichne die einzelnen Teile des Kraftpfeils! b) c) d) Es sind einige Kräfte dargestellt. Als Maßstab wurde vereinbart: 1 cm entspricht 2 N. Stelle fest, welche Beträge die Kräfte F1 bis F10 haben! F5 F1 F2 F6 F4 F3 F9 F7 F8 F10 F1 = 2,6 N F3 = 4,0 N F5 = 18,6 N F7 = 3,6 N F9 = 1,8 N F2 = 5,2 N F4 = 6,6 N F6 = 6,8 N F8 = 3,4 N F10 = 7,8 N © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 1 12.07.2004 8:04:17 Uhr 2 Kräfte 5 Stelle die folgenden Kräfte als Pfeile dar! Wähle für jedes Beispiel einen geeigneten Maßstab! Auch die Richtung der Kräfte kannst du beliebig festlegen! F1 = 3 N 1 cm 1 N F2 = 7,5 N 1 cm 3 N F3 = 48 N 1 cm 10 N • • • 6 Welche Beträge zeigen die Kraftmesser an? Die Skala beginnt jeweils mit 0 N. 1N 10 N 0,1 3N 7 50 N 0,22 N 10 0,5 5 12,5 N 0,9 N 15 N Haben die folgenden Aussagen etwas mit Kräften im physikalischen Sinn zu tun? Beispiel ja Jens trainiert regelmäßig mit seinem Expander. X Der Expander wird durch Kräfte verformt. Ein Auto springt nicht an und wird angeschoben. X Zum Anschieben ist eine Kraft erforderlich. Waschmittel haben eine unterschiedliche Reinigungskraft. Claudia überholt auf den letzten Metern ihre Freundin und gewinnt den Spurt. Bei nachlassender Sehkraft helfen Brillen. 8 100 N 5N 10 2 1 nein X X Begründung Es geht hier um einen chemischen Vorgang. Für die Bewegung sind Kräfte erforderlich. X Sehkraft hat nichts mit Kräften im physikalischen Sinn zu tun. Nenne Beispiele für das Wirken verschiedener Arten von Kräften! Muskelkräfte Gewichtskräfte Reibungskräfte magnetische Kräfte Heben eines Körpers Durchbiegen eines Bücherregals Bremsen eines Fahrrades Ausrichten einer Kompassnadel Verformen eines Balles Verformen eines Sprungbrettes Bremsen eines Autos Lasthebemagnet © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 2 12.07.2004 8:04:22 Uhr 3 Kräfte 9 Untersuche den Zusammenhang zwischen der Masse und der Gewichtskraft von Körpern! Vorbereitung: Baue die Experimentieranordnung entsprechend der Skizze auf! Durchführung: a) Prüfe, ob der Federkraftmesser richtig eingestellt ist! b) Hänge verschiedene Hakenkörper bekannter Masse an den Federkraftmesser! Bestimme jeweils die Gewichtskraft! Trage die Messwerte in die Tabelle ein! Auswertung: m in g FG in N c) Zeichne das Gewichtskraft-Masse-Diagramm! Welcher Zusammenhang besteht zwischen Masse und Gewichtskraft? Formuliere ihn in Worten! Je größer die Masse eines Körpers ist, umso größer ist auch seine Gewichtskraft. Zwischen Masse und Gewichtskraft eines Körpers besteht direkte Proportionalität: FG ~ m. d) Berechne aus deinen Messwerten den Ortsfaktor g! 10 11 In der Tabelle sind Masse bzw. Gewichtskraft von Körpern angegeben. Ergänze die Tabelle! Masse m 1g 8,6 kg 2,1 t 0,48 kg 75,6 kg 3,6 t Gewichtskraft FG 0,01 N 86 N 21 000 N 4,8 N 756 N 3,6 kN In der Tabelle sind Masse, Gewichtskraft oder Volumen angegeben. Ergänze die Tabelle! Masse m 100 g 100 g Eisen 0,1 kg 2,5 kg Wasser 3,5 kg 10 kg Gewichtskraft FG 1N 1N 1 N Aluminium 25 N 35 N 100 N Quecksilber Volumen V 100 ml Wasser 12,7 cm3 37 cm3 2,5 l 5 l Benzin 739 cm3 © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 3 12.07.2004 8:04:26 Uhr 4 Kräfte 12 Untersuche den Zusammenhang zwischen der wirkenden Kraft und der Verlängerung a) einer Feder aus Stahl, b) eines Gummibandes! Vorbereitung: Baue die Experimentieranordnung entsprechend der Skizze auf! Durchführung: a) Befestige Hakenkörper bekannter Gewichtskraft an der Feder! b) Miss die jeweilige Verlängerung! Trage die Werte in die Tabelle ein! c) Wiederhole die Messung mit dem Gummiband! Auswertung: Gummiband Feder aus Stahl Kraft F in N Kraft F in N Verlängerung s in cm Verlängerung s in cm a) Formuliere den Zusammenhang zwischen wirkender Kraft und Verlängerung der Feder bzw. des Gummibandes in Worten! Je größer die Kraft, desto größer die Verlän- Je größer die Kraft, desto größer die Verlän- gerung. Die Feder verlängert sich gleichmä- gerung. Das Gummiband verlägert sich immer ßig. weniger. b) Stelle die Messwerte für die Stahlfeder und das Gummiband in einem F - s - Diagramm dar! Worin besteht der Unterschied zwischen einer Stahlfeder und einem Gummiband? Bei einer Stahlfeder nimmt die Länge mit der Belastung gleichmäßig zu. Bei einem Gummiband liegt dagegen keine direkte Proportionalität vor. 13 Im Diagramm ist ein experimentell ermittelter Zusammenhang dargestellt, wobei s die Verlängerung eines elastischen Körpers ist. a) Interpretiere das Diagramm! F in N • 400 • der Kraft F und der Verlängerung s dar- 300 100 gestellt. Zwischen F und s besteht direkte • 200 Es ist der Zusammenhang zwischen • Proportionalität. b) Warum verläuft der Graph nicht durch alle Messpunkte? • Die Messwerte sind mit Fehlern behaftet. 2 4 6 8 10 s in cm © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 4 12.07.2004 8:04:29 Uhr 5 Kräfte 14 Untersuche die Zusammenhänge zwischen Kräften und Kraftarmen an einem zweiseitigen Hebel! Durchführung: l1 a) Bringe den Hebel ins Gleichgewicht! b) Befestige an beiden Seiten des Hebels Hakenkörper! Verändere die Kraftarme so, dass der Hebel wieder im Gleichgewicht ist! c) Wiederhole die Messungen! Verändere dabei die Länge der Kraftarme oder die Anzahl der Hakenkörper oder beides! l2 F2 F1 Auswertung: a) Messwerte Messung Nr. F1 in N l1 in cm F1 · l1 in N · cm F2 in N l2 in cm F2 · l2 in N · cm 1 2 3 4 b) Vergleiche die Produkte F1 · l1 und F2 · l2! Formuliere das Ergebnis in Worten und als Gleichung! Die Produkte F1 · l1 und F2 · l2 sind näherungsweise gleich groß. Es könnte gelten: F1 · l1 = F2 · l2. c) Wodurch kann die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflusst worden sein? – Hebel befindet sich nicht genau im Gleichgewicht. – Masse der Hakenkörper entspricht nicht genau dem Aufdruck. – Messfehler bei der Längenmessung. 15 Ergänze in den Skizzen die Kraftpfeile! Beachte, dass die Länge der Pfeile ein Maß für den Betrag der Kraft ist! a) b) d) c) e) © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 5 12.07.2004 8:04:32 Uhr 6 Kräfte 16 17 Für einen Hebel im Gleichgewicht sind die in der Tabelle angegebenen Werte bekannt. Ergänze die fehlenden Werte! F1 l1 F2 l2 a) 10 N 8 cm 20 N 4 cm b) 420 N 1,2 cm 210 N 2,4 cm c) 13 N 80 cm 26 N 40 cm d) 1,1 kN 2,4 cm 4,4 kN 0,6 cm e) 36 N 12 cm 720 N 0,6 cm Die Hebel sollen sich im Gleichgewicht befinden. Ergänze die in den Tabellen fehlenden Werte! Prüfe experimentell, ob deine Überlegungen richtig sind! l1 l2 l2 l1 F2 F2 F1 18 F1 F1 l1 F2 l2 F1 l1 F2 l2 a) 1N 3 cm 0,75 N 4 cm a) 1N 2 cm 0,5 N 4 cm b) 2N 2 cm 4N 1 cm b) 3N 2 cm 1,5 N 4 cm c) 2N 5 cm 10 N 1 cm c) 2,5 N 4 cm 10 N 1 cm d) 4N 1,5 cm 2N 3 cm d) 2N 3 cm 6N 1 cm Die Hebel befinden sich im Gleichgewicht. Markiere jeweils die Drehachse! Begründe! Am Hebel ist eine cm-Teilung angegeben. a) b) F2 = 2 N F1 = 4 N c) F1 = 10 N F2 = 6 N F2 = 0,5 N F1 = 1 N 4 N · 2 cm = 2 N · 4 cm 10 N · 3 cm = 6 N · 5 cm 1 N · 2 cm = 0,5 N · 4 cm 8 N · cm = 8 N · cm 30 N · cm = 30 N · cm 2 N · cm = 2 N · cm © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 6 12.07.2004 8:04:38 Uhr 7 Kräfte 19 20 21 Zeichne in jedem Fall die bewegungshemmende Reibungskraft ein! Welche Art von Reibung liegt vor? a) Ein stehender Schlitten soll in Bewegung gesetzt werden. b) Ein Skifahrer gleitet auf Schnee entlang. Haftreibung Gleitreibung c) Eine Radfahrerin rollt die Straße entlang. Rollreibung Reibung ist teils erwünscht, teils unerwünscht. Trage in die Übersicht Beispiele für erwünschte Reibung und für unerwünschte Reibung ein! erwünschte Reibung unerwünschte Reibung Reibung zwischen Reifen und Straße Radlager beim Fahrrad Reibung zwischen Bremsbacken und Bremsscheibe bei einem Motorrad Reibung beim Gleiten mit Ski Reibung zwischen Schuhen und Fußboden Reibung beim Radfahren Bestimme für einen Körper, der auf einer horizontalen Unterlage liegt, die Haftreibungskraft und die Gleitreibungskraft! Vergleiche die Kräfte! Durchführung: Haftreibungskraft Der Körper liegt auf der Unterlage. Du ziehst vorsichtig am Federkraftmesser, bis der Körper gerade noch liegen bleibt. Die Haftreibungskraft ist die Kraft, die unmittelbar vor Beginn der Bewegung des Körpers angezeigt wird. Gleitreibungskraft Du ziehst den Körper möglichst gleichmäßig am Federkraftmesser über die Unterlage. Die angezeigte Kraft ist die Gleitreibungskraft. v>0 v=0 Auswertung: FHaft = FGleit = Vergleich der Kräfte: Bei gleichen Bedingungen ist die Haftreibungskraft eines Körpers größer als die Gleitreibungskraft. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 7 12.07.2004 8:04:43 Uhr 8 Kräfte 22 Untersuche, wie die Gleitreibungskraft FR von der Kraft abhängt, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt! Vorbereitung: a) Zeichne in die Skizze die Gewichtskraft und die Reibungskraft ein! b) Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Gewichtskraft und der Druckkraft? Bei einer waagerechten Fläche ist die Druckkraft gleich der Gewichtskraft. FR Die Gewichtskraft ist gleich der Kraft, mit FN der der Körper auf die Unterlage drückt. Durchführung: a) Ziehe den unbeladenen Körper möglichst gleichmäßig über die Unterlage! Lies am Federkraftmesser die Gleitreibungskraft ab! b) Verändere durch Auflegen von Körpern die Druckkraft! Miss wieder die Gleitreibungskraft! Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein! Auswertung: a) Messwerte FG in N FR in N b) Formuliere das Ergebnis des Experiments in Worten! Die Gleitreibungskraft FR ist umso größer, je größer die Gewichtskraft des Körpers ist. Es gilt: FR ~ FG 23 a) Markiere an der Skizze durch Pfeile, wo beim Fahrradfahren Reibungskräfte wirken! b) Gib Möglichkeiten an, wie man die Reibungskräfte beim Fahrradfahren verringern kann! − Verringerung der Reibung durch Schmieren/Ölen der Lager − Verringerung der Luftreibung durch gebückte Haltung © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 8 12.07.2004 8:04:47 Uhr 9 Kräfte Magnetische Kräfte 1 Zwischen Magneten wirken Kräfte. Beweglich gelagerte kleine Magnete bewegen sich so, wie es in den Skizzen dargestellt ist. Zeichne die Magnetpole ein (Nordpol: rot, Südpol: grün)! Begründe jeweils deine Entscheidung! a) b) N 2 S N S c) S N S N S N Unterschiedliche Unterschiedliche Gleiche Magnetpole Magnetpole ziehen Magnetpole ziehen stoßen einander ab. einander an. einander an. N S Nachfolgend sind die Feldlinienbilder eines Stabmagneten und eines Hufeisenmagneten dargestellt. An die markierten Stellen werden kleine, drehbar gelagerte Magnete gebracht. Zeichne ein, wie sich diese kleinen Magnete ausrichten! Markiere den Nordpol dieser kleinen Magnete rot! N S N S 3 Das Foto zeigt, wie sich Eisenfeilspäne im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten ausrichten. Skizziere das Feldlinienbild eines Hufeisenmagneten! N S © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 9 12.07.2004 8:04:51 Uhr 10 Kräfte 4 Die Fotos zeigen, wie sich Eisenfeilspäne im Magnetfeld zwischen zwei Haftmagneten ausrichten. a) Skizziere das betreffende Feldlinienbild für dieses Magnetfeld! S N 5 Im Magnetfeld der Erde befinden sich kleine Magnetnadeln. a) Markiere an dem Kreis in der Mitte der Erde die Himmelsrichtungen Ost und West, Nord und Süd! b) Zeichne den Nordpol (N) und den Südpol (S) des Magnetfeldes der Erde ein! c) Zeichne in die Skizze ein, wo sich der Nordpol (rot) und der Südpol (grün) der kleinen Magnetnadeln befindet! d) Vergleiche die Lage der magnetischen Pole der Erde mit der der geografischen Pole! S N O W S Geografische Pole und magnetische Pole der Erde sind gerade vertauscht. N Am geografischen Nordpol befindet sich der magnetische Südpol und am geografischen Südpol befindet sich gerade der magnetische Nordpol. Geografische und magnetische Pole fallen nicht genau zusammen. 6 Elektromagnete werden u.a. in elektrischen Klingeln genutzt. Die Skizze zeigt den Aufbau einer solchen Klingel. a) Zeichne in die Skizze den Stromweg ein! b) Erkläre die Wirkungsweise einer elektrischen Klingel! Anker Stellschraube Beim Schließen des Schalters fließt ein elektrischer Strom. Die Spulen werden Elektromagnete. Der Kontakt wird angezogen, die Spulen Glocke angeschlagen. Zugleich wird der Kontakt geöffnet. Die Spulen wirken nicht mehr als Elektromagnet. Der Kontakt wird wieder geschlossen. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 10 12.07.2004 8:04:55 Uhr 11 Kräfte Elektrostatische Kräfte A 1 In der Skizze ist das Modell eines Atoms dargestellt. a) Benenne die gekennzeichneten Teile! A: Atomkern b) Für ein elektrisch neutrales Atom gilt: B: Atomhülle Die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle C: Elektronen ist genauso groß wie die Anzahl der positiven Ladungsträger 2 B + im Atomkern. C Welche Atome sind elektrisch neutral, welche nicht? Begründe! a) b) c) + 6+ + 13 26 a) ist neutral, b) und c) nicht. Die Anzahl der Elektronen ist dort kleiner, als die Anzahl der positiven Ladungsträger im Atomkern. 3 Zwei kleine Kugeln sind an Fäden aufgehängt. Die Kugeln sind elektrisch geladen. Zeichne die Ladung der zweiten Kugel ein! Begründe! a) b) + 4 + c) – + – – Gleichartig geladene Körper Ungleichartig geladene Gleichartig geladene Körper stoßen einander ab. Körper ziehen einander an. stoßen einander ab. Ein Gegenstand aus Plastik (Lineal, Kugelschreiber) wird an einem Pullover gerieben und über Papierschnitzel gehalten. Beschreibe deine Beobachtungen! Erkläre sie! Durch das Reiben wird der Gegenstand aufgeladen und zieht dadurch die Papierschnitzel an. 5 Die Skizze zeigt den Aufbau eines Elektroskops. Metallkugel mit Metallstab a) Benenne in der Skizze die wichtigsten Teile! b) Mit einem negativ geladenen Körper wird die obere Kugel des Elektros- metallischer kops berührt. Beschreibe und erkläre, was geschieht! Zeiger Der Zeiger schlägt aus. Bei der Berührung der Kugel des Elektroskops gehen Elektronen auf Metallkugel, Metallstab und Zeiger über. Da Metallstab und Zeiger dann gleichartig geladen sind, stoßen sie einander ab. Skala © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 11 12.07.2004 8:05:01 Uhr 12 Kräfte 6 In einem elektrischen Feld befinden sich positiv bzw. negativ geladene Körper. Die Ladung aller Körper ist gleich groß. a) Zeichne die Kräfte ein, die auf die geladenen Körper wirken! b) Welcher allgemeine Zusammenhang besteht zwischen der Richtung der Feldlinien und der Richtung der Kraft auf geladene Körper bzw. geladene Teilchen? Die Richtung der Feldlinien im jeweiligen Punkt ist gleich der Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper. 7 Zwei metallische Platten werden mit einer elektrischen Quelle verbunden. + a) Zeichne ein, wie die beiden Platten dann geladen sind! b) Skizziere das Feldlinienbild zwischen den beiden Platten! c) Was verändert sich, wenn die elektrische Quelle umgepolt wird? – + – + – + – + – + – Die Platten werden entgegengesetzt aufgeladen. Die Richtung der Feldlinien ist entgegengesetzt. 8 Zeichne die Feldlinienbilder des elektrischen Feldes! a) b) + 9 – + – Die Skizze zeigt das Feldlinienbild zwischen einer negativ geladenen Platte und einer positiv geladenen Spitze. + a) Was kann man aus einem solchen Feldlinienbild ableiten? Die Kraft auf ein geladenes Teilchen ist in der Nähe der Spitze besonders groß. b) Zeichne ein, in welcher Richtung eine Kraft auf die eingezeichneten Ladungsträger wirkt! – + – – – + – – – © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 12 12.07.2004 8:05:06 Uhr 13 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen Stromstärke und Spannung in Stromkreisen Elektrischer Strom und Stromstärke 1 Die Skizze zeigt das Modell eines metallischen Leiters. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + a) Beschreibe den Aufbau eines metallischen Leiters! In einem metallischen Leiter befinden sich positiv geladene Metall-Ionen und frei bewegliche Elektronen. Die Elektronen bewegen sich in unterschiedliche Richtungen. b) Zeichne die Bewegung der Elektronen in die Skizze ein, wenn der metallische Leiter an eine elektrische Quelle angeschlossen wird! 2 − + Vergleiche einen Wasserstromkreis und einen elektrischen Stromkreis! Nenne Gemeinsamkeiten und Unterschiede! Wasserstromkreis elektrischer Stromkreis Wasserpumpe elektrische Quelle Leiter Wasserleitung Wasserturbine Glühlampe Gemeinsamkeiten: Damit in dem Stromkreis etwas fließt, muss ein Antrieb vorhanden sein. Der Stromkreis muss geschlossen sein. Unterschiede: Im Wasserstromkreis fließt Wasser, im elektrischen Stromkreis bewegen sich Elektronen. 3 Die Skizzen zeigen den Aufbau eines metallischen Leiters und eines Isolators. a) Benenne die gezeichneten Teilchen! metallischer Leiter + Isolator + + + + + + + + + + + + + + + Metallionen Atome Elektronen b) Beschreibe die Unterschiede in Worten! Während bei metallischen Leitern frei bewegliche Elektronen vorhanden sind, hat ein Isolator keine frei beweglichen Ladungsträger. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 13 12.07.2004 8:05:37 Uhr 14 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 4 Untersuche, ob verschiedene feste Körper und Flüssigkeiten den elektrischen Strom leiten! Vorbereitung: a) Wie könnte man prüfen, ob ein Körper den elektrischen Strom leitet? Der Körper wird in einen elektrischen Stromkreis gebracht und es wird geprüft, ob dann ein elektrischer Strom fließt. b) Ergänze den Schaltplan durch Einzeichnen der Verbindungsleiter! Durchführung: – + Baue die Schaltung nach dem Schaltplan auf! Bringe verschiedene Körper (Nagel, Holzstab, metallische Kugelschreibermine, Bleistiftmine, Lineal aus Kuststoff, aufgebogene Büroklammer,...) in den Stromkreis! Trage deine Untersuchungsergebnisse in die Tabelle ein! Prüfstrecke Auswertung: Körper 5 6 Stoff, aus dem der Körper besteht Leiter oder Isolator Ordne die folgenden Stoffe in die Tabelle ein: Leitungswasser, feuchtes Holz, Stahl, Porzellan, Gummi, trockenes Papier, Schweiß, Gold, trockenes Holz, Glas, Silber, Aluminium, Kunststoff! Leiter Leitungswasser, feuchtes Holz, Stahl, Schweiß, Gold, Silber, Aluminium Isolator Porzellan, Gummi, trockenes Papier, trockenes Holz, Glas, Kunststoff In einem Stromkreis befinden sich eine elektrische Quelle, eine Glühlampe und ein Widerstand. Wie können diese drei Bauteile geschaltet sein? Zeichne unterschiedliche Schaltpläne! © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 14 12.07.2004 8:05:41 Uhr 15 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 7 In den Skizzen ist die elektrische Leitung in einer Flüssigkeit und in einem Gas dargestellt. a) Benenne jeweils die Teilchen! Flüssigkeit Gas – • • + Moleküle (elektrisch neutral) Gasmoleküle (elektrisch neutral) positiv geladene Ionen Gas – Ionen (positiv geladen) • negativ geladene Ionen Elektronen b) Vergleiche den elektrischen Leitungsprozess in einer Flüssigkeit und in einem Gas, indem du Gemeinsamkeiten und Unterschiede suchst! Gemeinsamkeiten: In beiden Fällen bewegen sich elektrisch geladene Teilchen gerichtet. Unterschiede: Bei Flüssigkeiten bewegen sich positiv und negativ geladene Ionen, bei Gasen Elektronen und positiv geladene Ionen. c) Kupfer-Ionen sind positiv geladen. Mit welchem Pol einer Spannungsquelle müsste man einen Gegenstand verbinden, wenn man ihn verkupfern will? Begründe! Der Gegenstand müsste mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden werden, da die positiv geladenen Kupfer – Ionen in diese Richtung wandern und sich dort ablagern. 8 Für elektrische Leitungsvorgänge müssen frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sein. Fertige durch Ausfüllen der Tabelle eine Übersicht über die frei beweglichen Ladungsträger in verschiedenen Stoffen an! Elektrischer Leitungsvorgang in Art der Ladungsträger Entstehung der Ladungsträger Metallen Elektronen sind aufgrund der Metallbindung vorhanden Flüssigkeiten positiv und negativ geladene Ionen durch Dissoziation von Basen, Säuren bzw. Salzen in Wasser Gasen positiv geladene Ionen Elektronen durch Wärme, Strahlung und Stoßionisation; durch Glühemission und Fotoemission Vakuum Elektronen durch Glühemission und Fotoemission © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 15 12.07.2004 8:05:43 Uhr 16 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 9 10 Elektrischer Strom kann verschiedene Wirkungen haben. Nenne Beispiele dafür, bei welchen Geräten oder Anlagen diese Wirkungen genutzt werden oder auftreten! Trage Beispiele in die Tabelle ein! Lichtwirkung Wärmewirkung magnetische Wirkung chemische Wirkung Glühlampe Heizplatte elektrische Klingel Verkupfern Leuchtstoffröhre Tauchsieder Lasthebemagnet Verzinken Auf den Fotos sind einige elektrische Geräte abgebildet. Gib an, welche Wirkung des elektrischen Stromes bei diesen Geräten genutzt wird! 11 magnetische Wirkung Wärmewirkung Wärmewirkung wirkung Die Skizze zeigt den Aufbau einer Glühlampe. a) Welche Wirkung des elektrischen Stromes wird bei einer Glühlampe genutzt? Welche Wirkung ist unerwünscht, aber unvermeidlich? Glaskolben Genutzt wird die Lichtwirkung, Glühdraht unerwünscht ist die Wärmewirkung. Sockel Kontakt Anschlusskabel b) Zeichne den Weg des elektrischen Stromes durch die Glühlampe mit farbigem Stift ein! 12 Fassung Die Bilder zeigen verschiedene elektrische Bauteile. Gib jeweils die Bezeichnung und das Schaltzeichen des Bauteils an! Energiesparlampe Sicherung elektrische Quelle Schalter, geöffnet Abzweig – + © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 16 12.07.2004 8:05:49 Uhr 17 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 13 Die Fotos zeigen Experimentieranordnungen. Zeichne unter jede den zugehörigen Schaltplan! a) b) Schaltplan: 14 Schaltplan: Bauteile können unterschiedlich geschaltet sein. Gib für jede Schaltung an, welche Schaltungsart vorliegt! Begründe! a) 15 b) c) Reihenschaltung Parallelschaltung Reihenschaltung Beide Glühlampen sind Der Stromkreis ist Beide Glühlampen sind hintereinander geschaltet. verzweigt. hintereinander geschaltet. Gib für folgende Schaltungen an, welche Glühlampen leuchten, wenn entweder einer der beiden Schalter oder beide Schalter geschlossen sind! a) 1 b) 1 B 2 1 c) B B 2 2 A A A nur A geschlossen: keine keine 2 nur B geschlossen: keine keine 1 1, 2 1, 2 1, 2 A und B geschlossen: © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 17 12.07.2004 8:05:54 Uhr 18 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 16 17 Rechne die gegebenen Stromstärken in der Tabelle in die jeweils andere Einheit um! Ergänze den Lückentext! Benannt ist die Einheit der elektrischen Stromstärke l in A l in mA 5 5 000 0,023 23 0,34 340 Das Gerät, mit dem man die elektrische Stromstärke 0,006 6 misst, nennt man Amperemeter 8,92 8 920 Strommesser 7,1 7 100 treten wie bei jeder Messung Messfehler nach dem französischen ANDRÉ MARIE AMPÈRE. Er lebte von 1775 bis 1836 . oder . Beim Messen der Stromstärke auf. Die Abbildungen zeigen die Skala eines Schülermessgerätes. Lies für die Zeigerstellung A bis E jeweils die Stromstärke ab! Trage die abgelesenen Werte in die Tabelle ein! a) 4 2 10 0 b) 6 C B A 10 20 D E 4 2 8 0 6 8 0 10 B A 0 30 V,A Messbereich 10 mA 10 20 C D E 30 V,A Messbereich 30 mA Zeigerstellung A B C D E Zeigerstellung A B C D E l in mA 2 4 5 7 8,8 l in mA 7 12 17 23 27 Messbereich 300 mA Messbereich 1 mA Zeigerstellung A B C D E Zeigerstellung A B C D E l in mA 0,2 0,4 0,5 0,7 0,88 l in mA 70 120 170 230 270 Messbereich 1 A 18 Naturforscher Messbereich 3 A Zeigerstellung A B C D E Zeigerstellung A B C D E l in A 0,2 0,4 0,5 0,7 0,88 l in A 0,7 1,2 1,7 2,3 2,7 Vervollständige die folgende Tabelle! Physikalische Größe Die elektrische Stromstärke gibt an, Formelzeichen Einheit Messgerät Elektrische Stromstärke wie viele Ladungsträger in der Sekunde durch den Leiterquerschnitt strömen. I 1A 1 mA Strommesser Amperemeter © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 18 12.07.2004 8:05:59 Uhr 19 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 19 Untersuche experimentell die elektrische Stromstärke in einem unverzweigten Stromkreis! Vorbereitung: Zeichne einen Schaltplan für einen unverzweigten Stromkreis mit zwei Widerständen! Zeichne an drei verschiedenen Stellen einen Strommesser ein! A A A Durchführung: Baue die Schaltung nach dem Schaltplan auf! Miss für verschiedene Spannungen zunächst l1 und anschließend l2 bzw. l3! Trage deine Messwerte in die Tabelle ein! Auswertung: Spannung in V l1 in mA l2 in mA l3 in mA a) Vergleiche die drei Stromstärken! l1 = = l2 l3 b) Welche Schlussfolgerung lässt sich aus dem Experiment für die elektrische Stromstärke im unverzweigten Stromkreis ableiten? In einem unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke überall gleich groß. c) Wodurch kann die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflusst worden sein? − Messgerätefehler des Strommessers − Ablesefehler beim Messen der Stromstärke 20 Ergänze an den Schaltplänen die fehlenden Stromstärken! a) b) A A I1 = 0,3 A I3 = 0,3 A I1 = 12 mA A I2 = 12 mA A I3 = 12 mA A A I2 = 0,3 A © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 19 12.07.2004 8:06:03 Uhr 20 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 21 In der Skizze ist ein verzweigter elektrischer Stromkreis dargestellt. Zeichne einen entsprechenden verzweigten Wasserstromkreis und markiere die Richtung des Wasserstromes! a) I Pumpe I1 I2 Wasserräder b) Stelle eine Vermutung über den Zusammenhang zwischen I, I1 und I2 auf! Es könnte gelten: I = I1 + I2 22 Untersuche experimentell die elektrische Stromstärke in einem verzweigten Stromkreis! Durchführung: Baue den Stromkreis nach dem nebenstehenden Schaltplan auf! Miss für verschiedene Spannungen zunächst I und anschließend I1 bzw. I2! Trage deine Messwerte in die Tabelle ein! I I1 A A A I2 Auswertung: Spannung in V l in mA l1 in mA l2 in mA a) Trage in die letzte Spalte I1 + I2 ein und vergleiche mit I! Formuliere das Ergebnis! Der Vergleich von I und I1 + I2 ergibt: I = I1 + I2 In einem verzweigten Stromkreis ist die Gesamtstromstärke gleich der Summe der Teilstromstärken in den Zweigen. 23 Ergänze an den Schaltplänen die fehlenden Stromstärken! a) b) A I1 = 0,3 A A A I2 = 0,3 A I3 = 0,3 A I4 = 3 A A A I1 = 3A A I2 = 1 A A I3 = 2 A © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 20 12.07.2004 8:06:09 Uhr 21 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen Elektrische Spannung 1 Mithilfe eines Apfels und zwei Metallen kann man eine Spannung erzeugen. Untersuche den Betrag der Spannung bei verschiedenen Metallen! V Metall 1 Metall 2 Vorbereitung: Lege Körper aus verschiedenen Metallen (z.B. Stahlnagel, dickerer Kupferdraht, Stück Blei, Lötzinn, Aluminiumstreifen) bereit! Durchführung: Baue die Anordnung nach der Skizze auf! Miss die Spannung bei verschiedenen Kombinationen von Metallen! Trage deine Ergebnisse in die Tabelle ein! Auswertung: Metall 1 Metall 2 Spannung in V Welche Folgerungen ergeben sich aus den Untersuchungen für die Konstruktion von Batterien? Um eine möglichst große Spannung zu erhalten, muss man sorgfältig prüfen, welche Metalle man verwendet. 2 Die Abbildungen zeigen die Skala eines Schülermessgerätes. Lies für die Zeigerstellungen A bis E jeweils die Spannung ab! Trage die abgelesenen Werte in die Tabelle ein! 4 2 6 0 10 0 B A 10 20 C E D 30 V,A Messbereich 10 V Zeigerstellung U in V A 2 4 2 8 6 8 0 10 0 B A 10 20 C D E 30 V,A Messbereich 30 V B 4 C 5 D 7 E Zeigerstellung 8,8 U in V Messbereich 1 V A 7 B C D E 12 17 23 27 Messbereich 3 V Zeigerstellung A B C D E Zeigerstellung A B C D E U in V 0,2 0,4 0,5 0,7 0,88 U in V 0,7 1,2 1,7 2,3 2,7 © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 21 12.07.2004 8:06:15 Uhr 22 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 3 Untersuche experimentell die Spannung an verschiedenen Bauteilen! Vorbereitung: Zeichne einen Schaltplan für einen unverzweigten Stromkreis mit einer elektrischen Quelle, Glühlampe, Widerstand und Schalter! An der elektrischen Quelle, der Glühlampe und dem Widerstand soll die Spannung gemessen werden. V V V Durchführung: Baue die Schaltung nach dem Schaltplan auf! Miss nacheinander die Spannungen an den drei Bauteilen! Trage die Messwerte in die Tabelle ein! Führe die Messung bei einer anderen Spannung der elektrischen Quelle durch! Auswertung: Bauteil elektrische Quelle Glühlampe Widerstand Spannung U in V Vergleiche die Spannungen an der elektrischen Quelle mit den Spannungen an Glühlampe und Widerstand! Die Spannung an der elektrischen Quelle ist größer als die Spannungen an Glühlampe und Widerstand. Beide Spannungen zusammen ergeben annähernd die Spannung an der elektrischen Quelle. 4 5 Jedes elektrische Bauteil oder Gerät arbeitet bei einer bestimmten Betriebsspannung. Ergänze die folgende Übersicht! Trage in die freien Spalten weitere elektrische Geräte und Bauteile ein! Bauteil oder Gerät Kühlschrank Taschenrechner Taschenlampe Glühlampe beim Fahrradscheinwerfer z.B. Digitalkamera z.B. Diktiergerät Betriebsspannung 230 V 1,5 V bis 3 V 1,5 V bis 6 V 6V 3 V bis 6V 3V Erkunde, was für Batterien es gibt! Skizziere sie und gib ihre Spannung an! Lösung könnte beispielsweise sein: 1,5V 1,5V 1,5V 6V 1,55V 4,5V © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 22 12.07.2004 8:06:18 Uhr 23 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 6 7 Rechne die gegebenen Spannungen in der Tabelle in die anderen Einheiten um! Ergänze den Lückentext! U in kV U in V U in mV 0,015 8 15,8 15 800 1 1 000 1 000 000 0,000 42 0,42 420 380 380 000 380 000 000 15 15 000 15 000 000 Die Einheit der elektrischen Spannung ist nach dem italienischen Naturforscher ALESSANDRO benannt worden. VOLTA Er lebte von 1745 bis 1827 . Das Messgerät zur Messung der Spannung nennt man Voltmeter A. VOLTA oder Spannungsmesser . konstruierte auch die ersten Batterien . Kreuze in der Tabelle an, welche der Aussagen für die Fälle A bis D zutreffen! Batterie Batterie Batterie A B C D A B C Es fließt ein elektrischer Strom bei X Eine elektrische Spannung ist vorhanden bei X X Es fließt ein elektrischer Strom und es tritt eine elektrische Spannung auf 8 D X X Wo steckt der Fehlerteufel? Korrigiere mit farbigem Stift! Begründe deine Korrektur! A V V – + Batterie – + Batterie A Ein Spannungsmesser wird Die beiden Batterien müssen Ein Strommesser wird immer immer parallel geschaltet. richtig miteinander verbunden in Reihe geschaltet. werden. 9 Vervollständige die folgende Tabelle! Physikalische Größe Die elektrische Spannung gibt an, Formelzeichen Einheit Messgerät elektrische Spannung wie stark der Antrieb des elektrischen Stroms ist. U 1 V, 1 mV 1 kV Spannungsmesser © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 23 12.07.2004 8:06:26 Uhr 24 Stromstärke und Spannung in Stromkreisen 10 Kreuze an, welche der Aussagen physikalisch richtig bzw. falsch formuliert sind! richtig falsch Elektrische Spannung und elektrische Stromstärke treten immer nur zusammen auf. X Die elektrische Spannung kann auch ohne elektrische Stromstärke auftreten. X Ein elektrischer Strom kann auch ohne elektrische Spannung fließen. 11 Untersuche experimentell die elektrische Spannung in einem verzweigten Stromkreis! Baue die Schaltung nach dem nebenstehenden Schaltplan auf! Miss nacheinander die drei Spannungen! Trage die Messwerte in die Tabelle ein! X V V V U in V U1 in V U U1 U2 U2 in V Formuliere das Ergenis des Vergleichs der Spannungen im verzweigten Stromkreis in Worten! In einem verzweigten Stromkreis ist die Spannung in allen Zweigen gleich groß und gleich der Gesamtspannung. Es gilt: U = U1 = U2 12 Ergänze an den Schaltplänen die fehlenden Spannungen! 8V a) b) V V U = 12 V U1 = 3 V V U=8V V V U1 = 9,4 V U2 = 2,6 V V U2 = 5 V 13 Die Skizze zeigt vereinfacht den Schaltplan für eine Wohnung. Sicherung a) Wie sind die Geräte zueinander geschaltet? Die Geräte sind parallel geschaltet. Zähler 230 V b) Schreibe an jedes Gerät die Spannung, die an dem Gerät anliegt! Begründe! Bei einer Parallelschaltung gilt: U = U1 = U2 = U3 230 V 230 V 230 V © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 24 12.07.2004 8:06:33 Uhr 25 Energiewandler Energiewandler Energie, Energieformen und Energieumwandlungen 1 2 Auf den Bildern sind Körper dargestellt. Welche Energieformen besitzen die jeweiligen Körper? kinetische chemische und kinetische und Energie thermische Energie potenzielle Energie Ordne den Energieformen folgende Energieträger zu: Braunkohle, Tafel Schokolade, angestautes Wasser, strömendes Wasser, Holz, Batterie, Erdgas, fliegender Ball, fallender Stein, siedendes Wasser, Kerze, geheizter Ofen, Glas Tee, Blitz, gespannte Feder! chemische Energie mechanische Energie innere Energie elektrische Energie Braunkohle angestautes Wasser siedendes Wasser Batterie Tafel Schokolade strömendes Wasser Kerze Blitz Holz fliegender Ball geheizter Ofen Erdgas fallender Stein Glas Tee gespannte Feder 3 Welche Energieumwandlungen vollziehen sich bei den dargestellten Vorgängen? Potenzielle Energie wird in Kinetische Energie wird beim Chemische Energie des kinetische Energie Absprung in potenzielle Körpers wird des Wasserspringers umgewandelt und in potenzielle und kinetische umgewandelt. diese wieder in kinetische. Energie umgewandelt. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 25 12.07.2004 8:06:35 Uhr 26 Energiewandler 4 5 In der Abbildung sind zahlreiche Vorgänge in Natur und Technik dargestellt. Notiere in der Tabelle, welche Energieumwandlungen bei diesen Vorgängen stattfinden! Vorgang in Natur und Technik Energieumwandlung Wasser erwärmt sich Sonnenenergie Wasser verdunstet thermische Energie potenzielle Energie Es wird Elektroenergie gewonnen. potenzielle Energie des Wassers Elektroenergie Es wird gekocht. Elektroenergie thermische Energie Waschmaschine läuft Elektroenergie mechanische und thermische Energie Auto fährt chemische Energie Bewegungsenergie und thermische Energie thermische Energie Elektrische Energie kann mit technischen Geräten in die verschiedensten Energieformen umgewandelt werden. Ergänze die folgende Übersicht, indem du in jedes Kästchen ein Gerät einträgst, das elektrische Energie in eine andere Energieform umwandelt! In die ovalen Felder trage die andere Energieform ein! mechanische Energie magnetische Energie Elektromagnet Bohrmaschine thermische Energie Heizsonne elektrische Energie Akkumulator chemische Energie Glühlampe Lichtenergie © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 26 12.07.2004 8:06:38 Uhr 27 Energiewandler 6 Auf den Fotos sind Vorgänge in Natur und Technik dargestellt. Welche Energieumwandlungen bzw. -übertragungen treten bei diesen Vorgängen auf? Eth Epot Ekin Emech Epot Ech ELicht 7 Zum Betreiben von Geräten und Maschinen im Haushalt wird Energie benötigt. Ordne den abgebildeten Beispielen die zum Betreiben benötigte Speicherform, den entsprechenden Energieträger und die Transportform zu! Speicherform Energieträger Beispiel Transportform chemische Energie Heizöl Ölofen Der Ofen gibt Wärme in Form von Wärmestrahlung ab. elektrische Energie elektrischer Strom Haartrockner Der Haartrockner sendet Wärme durch Wärmeströmung aus. elektrische Energie elektrischer Strom Bügeleisen Das Bügeleisen überträgt Wärme durch Wärmeleitung. elektrische Energie elektrischer Strom Waschmaschine Trommel: mechanische Arbeit Heizstab: Wärme elektrische Energie elektrischer Strom Leuchte Die Leuchte sendet Licht aus. elektrische Energie elektrischer Strom Mikrowelle Es tritt Wärmestrahlung und mechanische Arbeit (Drehteller) auf. elektrische Energie elektrischer Strom Ventilator Ein Elektromotor verrichtet mechanische Arbeit. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 27 12.07.2004 8:06:40 Uhr 28 Energiewandler 8 Energie kann von einer Form in eine andere Form umgewandelt, von einem Körper zum anderen Körper transportiert und auch gespeichert werden. Ergänze dazu die folgende Übersicht! Energie 9 existiert in verschiedenen Energieformen, z. B. als kann in verschiedenen Formen transportiert werden, z. B. durch kann in verschiedener Weise gespeichert werden, z. B. in Form von mechanische Energie Wärme Brennstoffen elektrische Energie Arbeit Treibstoffen chemische Energie elektrischen Strom angestautem Wasser thermische Energie Licht (Strahlung) Körpern hoher Temperatur In Kraftwerken wird elektrische Energie aus anderen Energieformen gewonnen. Ergänze die nachfolgende Übersicht! Wasserkraftwerk Wasserturbine Kohlekraftwerk Dampfturbine Generator Generator Dampfkessel genutzter Energieträger: genutzter Energieträger: Wasser Kohle Energieform der Ausgangsenergie: Energieform der Ausgangsenergie: potenzielle Energie des Wassers chemische Energie der Kohle Energieumwandlungen: Energieumwandlungen: Epot Ekin Eel Echem Eth Ekin Eel Ein Wasserkraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 80 %. Was bedeutet diese Angabe? 80 % der aufgewandten Energie stehen als Ein Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 40 %. Was bedeutet diese Angabe? 40 % der aufgewandten Energie stehen als nutzbare Energie zur Verfügung. nutzbare Energie zur Verfügung. Wo bleiben die restlichen 20 % der aufgewandten Energie? Wo bleiben die restlichen 60 % der aufgewandten Energie? Durch Reibung wird ein Teil in thermische Es erfolgt eine Umwandlung in nicht nutzbare Energie, ein anderer Teil in kinetische Energie thermische Energie (Kühlwasser, Abstrahlung des Wassers umgewandelt. von Wärme). © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 28 12.07.2004 8:06:43 Uhr 29 Energiewandler 10 Stelle in einer Übersicht Arten der regenerativen Energien zusammen! Orientiere dich an den skizzierten Abbildungen! Nutze zur Beantwortung auch das Lehrbuch und Nachschlagewerke! Regenerative Energien Geothermie (Erdwärme) Sonnenenergie Gezeitenenergie Kraftwerk Kaltwasser Land (Flussdelta) Meer Heißwasser Flut Ebbe Erdwärmekraftwerk Gezeitenkraftwerk Strahlungsenergie der Sonne Licht Solarzellen wandeln in elektrische Energie Direktstrahlung Wärmestrahlung erzeugt den Wasserkreislauf Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten: Wind Talsperre Wasserschloss Turbine Generator Windkraftwerk erzeugt elektrische Energie Wasserkraftwerk erzeugt elektrische Energie Sonnenofen, Sonnenkollektor © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 29 12.07.2004 8:06:45 Uhr 30 Energiewandler 11 Die sich in der Natur immer wieder erneuernden Energien können als Ausgangsenergie genutzt werden, um in Energiewandlern in Energieformen für den Verbraucher gewandelt zu werden. Ordne die erneuerbare (regenerative) Ausgangsenergie den Energiewandlern zu! Ergänze auch die vom Verbraucher genutzte Endenergie! Ausgangsenergie Energiewandler Endenergie Wärmestrahlung der Sonne Sonnenkollektor thermische Energie Strahlung der Sonne Solarzellen thermische Energie des Erdbodens oder der Luft Wärmepumpe Windenergie Windrad Energie des Wassers elektrische Energie thermische Energie elektrische Energie Wasserkraftwerk elektrische Energie Energie im Benzin 100 % chemische Energie 12 Biogas-Anlage thermische Energie Abgas 36 % (Fernwärme) und elektrische Kühlwasser 33 % Energie Motorabstrahlung 7 % Eigenbedarf des Autos 3 % Reibung 5 % Vergleiche die Energieflussdiagramme eines Pkw (links) und eines Wärmekraftwerkes (rechts)! Bewegungsenergie (nutzbare Energie) 16 % Energie im Brennstoff Energie im Benzin 100 % Abgas 36 % 100 % Kamin und Rohrleitungen 12 % Kühlwasser 33 % Kühlwasser 44 % Motorabstrahlung 7 % Eigenbedarf des Autos 3 % Reibung 5 % Generatorverluste 1 % Eigenbedarf 3 % Stromtransport 7 % Bewegungsenergie (nutzbare Energie) 16 % Energie im Brennstoff abgegebene elektrische Energie (nutzbare Energie) 33 % 100 % und Rohrleitungen 12 % dreimal soviel Energie abgegeben wie beim Beim Pkw wird durch Kamin die Abgase prozentual etwa Kühlwasser 44 % Kraftwerk. Beim Kühlwasser gibt das Kraftwerk prozentual mehr Energie an die Umgebung ab als Generatorverluste 1 % ein Pkw. Der Energiebedarf ist in 3beiden Fällen etwa gleich. Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes Eigenbedarf % Stromtransport 7 % ist etwa doppelt so groß wie der eines Pkw. abgegebene elektrische Energie (nutzbare Energie) 33 % © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 30 12.07.2004 8:06:48 Uhr 31 Energiewandler Mechanische Energie und Leistung 1 Ein Gewichtheber hebt eine schwere Hantel vom Fußboden in eine bestimmte Höhe. a) Wie verändert sich dabei die potenzielle Energie der Hantel? Beim Heben des Körpers vergrößert sich seine potenzielle Energie. b) Wie groß ist die potenzielle Energie der gehobenen Hantel, wenn sie eine Masse von 120 kg hat und um 1,80 m gehoben wird? Epot = m · g · h Epot = 120 kg · 9,81 m/s2 · 1,80 m Epot = 2 120 Nm 2 Ein Kran hebt verschiedene Lasten vom Boden aus in unterschiedliche Höhen. Vergleiche die potenzielle Energie jeweils in den Fällen A und B miteinander! Begründe! a) b) B c) A 3 A A B B EA EB EA > EB EA < EB Bei B ist die Höhe doppelt Bei gleicher Last ist Bei gleicher Höhe ist so groß, die Last nur die Höhe im Fall A die Last im Fall B halb so groß. größer. größer. Beim Heben verschiedener Körper sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Masse m erforderliche Hubkraft F Höhe h potenzielle Energie Epot a) 25 kg 250 N 1,5 m 375 Nm b) 2 kg 20 N 25 m 500 Nm c) 400 g 4N 50 cm 2 Nm d) 6 000 kg 60 kN 30 cm 18 000 Nm e) 15 kg 150 N 8m 1 200 Nm f) 1,2 t 12 000 N 0,7 m 8 400 Nm © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 31 12.07.2004 8:06:53 Uhr 32 Energiewandler 4 Einige Schüler haben ihre Leistung beim Treppensteigen ermittelt. Ergänze die fehlenden Werte! Trage in die letzte Zeile deine Werte ein! Bestimme daraus deine Leistung! Name 5 Höhe in m Gewichtskraft in N potenzielle Energie in Nm Zeit in s Leistung in W Ingrid 3,0 600 1 800 4 450 Paul 2,7 460 1 242 2,5 496,8 Julia 4,1 550 2 255 4,5 501,1 Vergleiche die potenziellen Energien und die Leistungen bei den dargestellten Vorgängen! t=5s t=6s t=7s 2m m = 50 kg m = 60 kg Epot = 1 000 Nm P 2m m = 70 kg Epot = 1 200 Nm = 200 W P 2m Epot = 1 400 Nm = 200 W P = 200 W Vergleich: Bei der gleichen Höhe sind die potenziellen Energien aufgrund der unterschiedlichen Gewichtskraft unterschiedlich, die Leistungen aller drei Personen sind gleich groß. 6 a) Vergleiche die potenziellen Energien und die Leistungen bei den dargestellten Vorgängen! 1m t=3s 1m t=4s m = 55 kg Epot = 550 Nm P = 185 W 1m t=5s m = 55 kg Epot = 550 Nm P = 137,5 W m = 55 kg Epot = 550 Nm P = 110 W Vergleich: Die potenziellen Energien sind gleich, die Leistungen unterschiedlich, weil die gleichen Höhen bei gleicher Gewichtskraft in unterschiedlichen Zeiten erreicht werden. b) Formuliere in Worten einen Zusammenhang zwischen Energie, Leistung und Zeit! z.B.: Die mechanische Leistung ist umso größer, je mehr potenzielle Energie in einer bestimmten Zeit umgewandelt bzw. übertragen wird. © PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de Unbenannt-1 32 12.07.2004 8:06:59 Uhr ISBN 3-89818-345-9
