Kraft - Energie

Das Arrangement zum Begriffsfeld „Kraft und Energie“
in Schulbüchern (Neubearbeitungen zum Bildungsplan 2004)
Duden
Fokus
Spektrum
Impulse
Dorn ▫ Bader
303 Seiten
288 Seiten
240 Seiten
246 Seiten
228 Seiten
Energie
Energie
Optik
Bewegungen
Energie braucht man um
etwas zu bewegen, zu erwärmen oder zu beleuchten.
Gegenstände, die etwas bewegen, erwärmen, schmelzen, verdampfen, hochheben
können, besitzen Energie.
Energie der Photonen:
Photonen sind fliegende
Energiepakete. … Haben sie
weniger Energie, so
erscheinen sie und rot. …
./. = keine Merksätze zu o.g.
Begriffen
Energie ist in Energieträgern
gespeichert. Mit dem jeweiligen Energieträger kann die
Energie auch transportiert
werden.
Energie kann von einem
Energieträger auf einen
anderen übertragen werden.
Energie kann weder erzeugt
noch vernichtet werden. Die
Gesamtenergie bleibt immer
erhalten.
Erhaltung von
Energie
Energie kann weder erzeugt
noch vernichtet werden. Die
Gesamtenergie bleibt immer
erhalten.
Entwertung und
Jede Energieart lässt sich in
eine andere umwandeln.
Energie kann nicht erzeugt
werden.
Energie kann auf verschiedene Arten transportiert
werden:
- durch Energieträger
(Kohle, Öl, Nahrung)
- durch Strahlung
(Licht, Wärme)
- durch Leitung
(elektrischer Strom, Seile,
Stangen)
Energie wird oft durch
Energieträger transportiert,
die im Kreis laufen. Sie
werden an einer Stelle mit
Energie beladen und geben
Energie an einer anderen
Stelle ab.
Energie
Energie ist nötig, damit
Vorgänge überhaupt
ablaufen. Sie kann ihren
Wirkungen erkannt werden.
Jeder sich bewegende Körper
hat Energie: Bew.energie
Jeder hochgehobene Körper
hat Energie: Lageenergie
Lichtquellen und Lichtempfänger sind Energiewandler.
Das Licht dzwischen bildet
den Energiestrom.
Energie kann in verschiedenen Formen vorkommen.
Eine Energieform kann in
andere Energieformen umge-
Impuls und Kraft
(Text, kein Merksatz:)
Von einem Körper kann man
seine Masse und seine
Geschwindigkeit angeben.
Ändert sich weder die eine
noch die andere Größe, so
kann man von einem
bestimmten Zustand
sprechen, der im Alltag mit
Begriffen wie Wucht oder
Schwung umschrieben wird.
Physiker definieren hierze
eine eindeutige Größe, den
Impuls mit dem
Formelzeichen p.
Je größer … desto größer …
Merksatz:
Das Produkt aus Masse und
Geschwindigkeit eines
Körpers betimmt seinen
Impuls: p =mv.
Bewegungen
Kräfte, Wirkungen,
Messung
Werden Körper verformt
oder wird ihre Bewegung
geändert, so greifen Kräfte an
ihnen an.
Das Ändern der Bewegung
eines Körpers bedeutet: Der
Körper wird durch die Kraft
schneller, langsamer oder in
eine Kurve gezwungen.
Zwei Kräfte die den gleichen
Körper gleich stark verformen sind gleich groß.
Wenn Kräfte, die in einem
Punkt eines Körpers die
gleiche Richtung haben,
addieren sie sich..
Beliebige Körper ziehen sich
gegenseitig an. Die
Gewichtskraft, die auf einen
Körper wirkt, hängt vom Ort
Wirkungsgrad
Die einem Gerät, einer Anlage oder einem Lebewesen
zugeführte Energie ist z.T.
für uns nicht nutzbar und ist
damit entwertet.
Der Wirkungsgrad gibt an,
welcher Anteil der zugeführten Energie genutzt wird.
Formelzeichen: 
Der Wirkungsgrad kann
berechnet werden mit der
Gleichung:   Enutz
Ezu
Energieflüsse und
Leistung
Die Leistung eines Gerätes
oder einer Anlage gibt an,
wie viel Energie in der Zeiteinheit durch ein Gerät bzw.
eine Anlage fließt.
Formelzeichen: P
Einheit: ein Watt (1 W)
Energie für Lebensprozesse (Ernährung)
In Energiespeichern kann
Energie über einen längeren
Zeitraum aufbewahrt werden.
Energieentwertung
Thermische Energie kann
von selbst nur von einem
wärmeren System zu einem
kälteren fließen. Dabei kann
ein Teil in mechanische oder
elektrische Energie umgewandelt werden.
Die Energie, die an das kältere System abgegeben wird,
kann für die Umwandlung
nicht genutzt werden.
Immer wenn elektrische,
mechanische oder chemische
Energie in thermische Energie umgewandelt wird oder
thermische Energie von
einem wärmeren zu einem
kälteren System fließt, findet
eine Energieentwertung statt.
Die Entwertung besteht darin,
dass der Vorgang nicht von
selbst in umgekehrter Richtung abläuft. Man müsste
zusätzlich Energie aufwenden, um ihn umzukehren.
Energiemessung
Energie in Natur
und Technik
Der Elektrizitätszähler misst
Energie.
wandelt werden.
Energie kann in ganz unterschiedlichen Formen gespeichert werden.
Ohne äußere Einwirkung
ändert sich der Impuls eines
Körpers nicht.
Die Summe der Impulse
zweier Körper ändert sich bei
einer Wechselwirkung nicht.
Diese Aussage wird als
Der Energiestrom P zwischen Impulserhaltungssatz
zwei Wandlern ist um_so
bezeichnet. (pos. Und neg.
größer, je mehr Energie
Impulse aber kein Pfeil oder
übertragen wird und je kürzer Vektor)
die dafür benötigte Zeit ist.
Energiestromstärke =
Je kleiner die Zeitspanne für
Energie/Zeit P=E/t
eine bestimmte Impulsänderung ist, desto größer ist die
Energieentwertung wirkende Kraft.
Energie braucht immer einen
Träger. Ausnahme: Licht
und Wirkungsgrad
Bei fast allen Energieumwandlungen entsteht zwangsläufig auch Wärmeenergie.
Wenn diese in die Umgebung
abfließt und nicht und nicht
weiter genutzt werden kann,
ist sie entwertet.
Wärmeenergie, die zum Ablauf eines Vorgangs erforderlich ist, heißt Prozesswärme.
Wärmeenergie, die bei einem
Vorgang nur an die Umgebung abgegeben wird, heißt
Abwärme.
Der Wirkungsgrad gibt an,
ab. Dieses gilt für Betrag und
Richtung.
… G = mg
Dichte, Masse, Volumen
Kräftegleichgewicht
Bewegte Körper
haben Impuls
Ein bewegter Körper hat

Impuls. Der Impuls p ist eine
Vektorgröße. Er zeigt in dieselbe Richtung wie der

Geschwindigkeitsvektor v .
Je größer Geschwindigkeit
Je größer die Impulsänderung und Masse des Körpers sind,
bei gleicher Zeitspanne ist,
umso größer ist auch der
desto größer ist die Kraft.
Betrag seines Impulses.
Die Kraft ist das Verhältnis
aus einer Impulsänderung
und der Zeitspanne, in der
diese Änderung erfolgt:
F=Δp/Δt.
Kräfte lassen sich nur durch
ihre Wirkung erkennen:
Kräfte können einen Körper
verformen, seinen Impuls
vergrößern oder verkleinern,
seine Bewegungsrichtung
ändern.
Ein Körper, an dem überhaupt keine Kraft angreift
oder der sich im Kräftegleichgewicht befindet,
behält seinen Impuls nach
Betrag und Richtung bei.
Große Kräfte ändern den
Impuls eines Körpers schnell,
kleine Kräfte ändern ihn
langsam.
Energie
(nicht erneuerbare und
erneuerbare Energieträger)
Elektrizitätslehre
Die elektrische Spannung ist
der Antrieb für den elektrischen Strom.
Volumen, Masse,
Dichte
Bewegungen
Impuls
Die physikalische Größe
Impuls beschreibt die Wucht,
die ein Körper besitzt.
Formelzeichen: p
Einheit: kg*m/s
Der Impuls eines Körpers ist
umso größer, je größer die
Masse des Körpers ist.
Der Impuls p eines Körpers
ist das Produkt aus der Masse
m eines Körpers und seiner
Geschwindigkeit v:
p = mv
Impuls kann von einem
Körper auf einen anderen
übertragen werden.
Bei der Umwandlung von
elektr. Energie in thermische
Energie oder in Höhenenergie nimmt die Temperatur
oder die Höhe zu. Mithilfe
der Temperatur- bzw. der
Höhenenergie kann man die
Energie messen, ohne den
Elektrizitätszähler zu benutzen.
Leistung – Die
Energiestromstärke
Die Leistung P ist der
Quotient aus der abgegebenen Energie und der dafür
benötigten Zeit:
P  E / t
Elektrizitätslehre
Die von einem Elektrogerät
umgewandelte elektrische
Energie hängt ab
- von der Zeit t (der Einschaltdauer)
- von der Leistung P des
Elektrogerätes.
Für die umgewandelte
Energie E gilt: E  P t .
Die el. Energie strömt von
der elektrischen Energiequelle zum Verbraucher.
Die elektrische Energie
welcher Anteil der
zugeführten Enegie in die
gewünschte Nutzenergie
umgewandelt wird:
  Enutz Ezu
Bewegungen
Volumen, Masse,
Dichte
Impuls
Im Text:
Zwei Eigenschaften eines
Körpers bestimmen den
Impuls – so heißt Wucht in
der Sprache der Physiker -,
mit der er daherkommt: seine
Masse und seine Geschwindigkeit. … Genauere
Untersuchungen zeigen, dass
der Impuls proportional zur
Masse und poportional zur
Geschwindigkeit des Körpers
ist. Es gilt: p =mv.
Je größer die
Geschwindigkeit und /oder
die Masse eines Körpers sind,
desto größer ist sein Impuls.
Der Impuls wird berechnet
als Produkt aus Masse m und
Geschwindigkeit v: p=mv.
Die Gewichtskraft …
FG=g m
Energie gibt es in verschiedenen Formen:
Bewegte Körper haben Bew.Übt ein Körper eine Kraft auf energie, verformte elastische
einen zweiten Körper aus, so Körper haben Spannenergie,
wirkt stets gleichzeitig eine
gehobene Körper HöhenenerKraft vom zweiten auf den
gie.
ersten Körper. Kräfte treten
Energie kann von einem
also nie alleine auf! Beide
Körper auf einen anderen
Kräfte haben denselben
übertragen werden. Energie
Betrag, sind aber entgegenge- kann ihre Form wandeln.
setzt gerichtet und haben ihre
Angriffspunkte an unterDie Gesamtenergie eines
schiedlichen Körpern.
Körpers kann auf verschiedene Energieformen verteilt
sein. – Ohne EnergieüberEnergie
Energie ist eine mengenartige tragung von oder zu anderen
Körpern bleibt die
Größe. Mit ihrer Hilfe beschreiben Physiker verschie- Gesamtenergie des Körpers
konstant.
dene Zustände von Körpern
und Systemen.
Energie lässt sich speichern.
Energie lässt sich übertragen.
Energie bleibt erhalten, wenn
sie innerhalb eines Systems
übertragen wird.
Die Energie einer mechanischen Energieübertragung
kann als Produkt aus Kraft
und Weg erfasst werden:
ΔE = F∙Δs .
Dabei muss die Kraft auf
dem ganzen Weg in Richtung
der Bewegung wirken und
Sind bei Energieübertragung
und –umwandlung ohne
Reibung mehrere Körper
beteiligt, so bleibt die Summe
aus Bewegungs-, Spann- und
Höhenenergie all dieser
Körper erhalten.
Tritt Reibung auf, so gehört
zur Energiesumme die innere
Energie der beteiligten
Körper und der Umgebung.
Die mithilfe einer Kraft vom
Betrag Fs längs eines Weges s
Übertragene Energie beträgt
Impuls kann weder erzeugt
noch vernichtet werden.
Die Erde ist ein riesiger
Impulsspeicher, der Impuls
aufnehmen und abgeben
kann. Wegen ihrer großen
Masse ändert sich dabei ihre
Geschwindigkeit nicht
messbar.
Wenn weder Impuls
zugeführt noch abgeführt
wird, bleibt ein Körper in
Ruhe oder in gleichförmiger
geradliniger Bewegung.
Analogien zw.
Energie und Impuls
Energie bzw. Impuls können
weder erzeugt noch
vernichtet werden.
Bei Vorgängen erfolgen
Energieübertragungen. Die
Gesamtenergie ändert sich
dabei nicht.
Bei Vorgängen erfolgen
Impulsübertragungen von
einem auf einen anderen.
Der Gesamtimpuls ändert
sich dabei nicht.
Kräfte
Körper können Kräfte aufein-
strömt von der Energiequelle
zum Verbraucher – die el.
Ladung dagegen befindet
sich in einem Kreislauf.
Je stärker eine Magnetnadel
ausgelenkt wird umso größer
ist der elektrische Strom.
Das Formelzeichen für die
elektrische Stromstärke ist I.
Die Einheit der elektrischen
Stromstärke ist Ampere (A).
Spannung =
Energiestromstärke/
Stromstärke; U =P/I
Die Leistung von Elektrogeräten kann man als Produkt
aus Spannung und Stromstärke berechnen: P=U I
Geschwindigkeit
(Merksätze, Diagramme)
Die Kraft
Wenn auf einen Körper eine
Kraft ausgeübt wird, ändert
der Körper den Betrag oder
die Richtung seiner Geschwindigkeit oder er wird
verformt. Oft treten Geschwindigkeits- und Formänderungen gleichzeitig auf.
Impuls kann von einem
Körper auf einen anderen
übertragen werden. Dabei
bleiben Größe und Richtung
des Impulses erhalten.
dabei konstant bleiben.
Energie strömt
(Text, kein Merksatz)
Bei der Übertragung von
Energie spricht man von
Wirken Kräfte eine Zeit lang einem Energiestrom.
auf einen Körper, so ändert
Bei einem Fadenpendel
sich sein Impuls. Die Kräfte
strömt die Energie von der
können
Bewegung in die Lage des
- den Impuls des Körpers ver- Pendels und umgekehrt. …
größern, den Körper also
beschleunigen;
- den Impuls des Körpers ver- Die Energiestromstärke ist
umso größer, je mehr Energie
größern, den Körper also
strömt und je kürzer die dafür
verzögern;
benötigte Zeit ist: P = ΔE/Δt.
- die Richtung des Impulses
und damit die Bewegungs
Bei Vorgängen mit Reibung
richtung des Körpers änverschwindet die Energie
dern.
nicht. Ein Teil der Energie
geht jedoch in die Umgebung
Kräfte und Impulsübertraund erhöht deren Temperatur.
gung können nur zwischen
verschiedenen Körpern statt- Die Nutzbarkeit der Energie
hat deshalb abgenommen.
finden.
Dieser Vorgang ist nicht
umkehrbar.
Kräfte können Körper
W = Fs s .
Dabei ist Fs die Kraft die
längs der Wegstrecke s wirkt.
Hebt man einen Körper mit
der Gewichtskraft vom
Betrag G um die Höhe h, so
steigt dessen Höhenenergie
um W = G∙h.
Beim Absenken um h
verringert sich die Höhenenergie um W = G ∙h.
Einheit der Energie:
1 N∙1m = 1Nm = 1J;
1kJ =1000J
- zeitweilig verformen
(elastisch)
- dauerhaft verformen
(plastisch)
Bei keinem Vorgang nimmt
die Energie insgesamt zu.
Mechanische, chemische und
elektrische Energie ist wertvoll, weil sie leicht in andere
Energieformen umgewandelt
werden kann.
In der Mechanik ist Reibung
bei Umwandlungen und
Übertragung von Energie
unvermeidlich, immer fließt
ein Teil der Energie in die
Umgebung. Diese Energie ist
für nützliche Anwendungen
verloren, sie ist entwertet,
aber nicht verschwunden.
Teilchenbewegung
Die Wirkung einer Kraft ist
abhängig
- von ihrer Größe
- von ihrer Richtung
- von ihrem
Die Teilchen eines festen,
flüssigen oder gasförmigen
Körpers sind in ständiger,
temperaturabhängiger, unregelmäßiger Bewegung. Dies
Leistung
Der Quotient aus der übertragenen Energie W und der
dazu benötigten Zeit t ist die
Leistung P = W/t.
ander ausüben. Die Kräfte
sind an ihren Wirkungen erkennbar: Sie bewirken eine
Änderung des Impulses oder
der Form von Körpern oder
beides.
Auf alle Gegenstände wird
aufgrund der Wechselwirkung mit der Erde eine
Kraft ausgeübt. Diese Kraft
heißt Gewichtskraft.
Angriffspunkt
Kräfte werden durch Pfeile
dargestellt.
Hooke’sches Gesetz: …
Bei einer Kraft kommt es
darauf an, wie groß sie ist
und in welche Richtung sie
wirkt. Will man nur etwas
darüber aussagen, wie groß
die Kraft ist, spricht man vom
Betrag der Kraft.
Wenn Körper miteinander in
Wechselwirkung treten und
gegenseitig Kräfte aufeinander ausüben, sind diese stets
gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
Greifen an einem Körper
gleichzeitig mehrere Kräfte
so an, dass sich ihre bewegungsändernden Wirkungen
gegen-seitig aufheben, sagt
man: Der Körper ist im
Kräftegleichgewicht.
Wenn Kraft und Verformung proportional sind,
spricht man vom hookschen
Gesetz.
Kraft u. Energie
Wenn ein Körper um eine
Strecke delta s verschoben
Trägheit beschreibt das Bestreben eines Körpers, seinen
Impuls (nach Betrag und
Richtung) beizubehalten.
Jeder Körper drückt mit
seiner Gewichtskraft auf
seine Unterlage bzw. zieht
mit ihr an seiner Aufhängung.
zeigt die Brown’sche Bewegung von Rauchteilchen.
Die Temperatur eines
Körpers ist ein Maß für die
Energie der Bewegung seiner
Teilchen.
Die ständige Teilchenbewegung ist die Ursache für die
Diffusion.
Wattsekunde (Ws) und Kilowattstunde (kWh) sind praktische Einheiten für die
Energie. Es gilt: 1Ws = 1J;
1kWh =3 600 000J.
Der Druck eines Gaskörpers
ist ein Maß für seine Energie
pro Volumen. Diese kann
durch Erhöhung der Teilchenzahl pro Volumen oder
durch Erhöhen der Temperatur vergrößert werden.
Text, kein Merksatz:
Um anzugeben, wie gut ein
Energiewandler
„funktioniert“, gibt es einen
wichtigen Begriff, den
Wirkungsgrad. Er ist der
Quotient aus Nutzleistung
und Eingangsleistung der
Maschine:   Enutz
Ezu
Die Gewichtskraft lässt sich
berechnen als Produkt aus der Elektrizitätslehre
Masse m und dem ortabhänDie Nennspannungen von
gigen Faktor g: F=mg.
elektrischen Geräten und
elektrischen Quellen müssen
Druck,
(nahezu) übereinstimmen.
Teilchenmodell
./.
Stromkreis
Der elektrische Strom (der
Kreislauf der Elektronen)
transportiert Energie von der
Quelle zum Elektrogerät
(Wandler).
In jedem Stromkreis erfährt
der Elektronenstrom in der
Die Einheit der Leistung ist 1
J/s = 1W (Watt); 1000W =
1kW (Kilowatt).
Elektrische Quellen können
lebensgefährlich sein.
Die Potentialdifferenz im
Stromkreis heißt Spannung
und wird in der Einheit 1
Volt (1V) angegeben.
(Anm..: vom Wassermodell
analog zur Druckdifferenz
übertragen)
Was unterscheidet
Energie u. Impuls?
Bei der Vektorgröße Impuls

p muss man die Richtung
beachten. Energie ist dagegen
eine skalare, ungerichtete
Größe
Kräfte ändern den Impuls
vektor p von Körpern nach
Betrag bzw. Richtung. Kräfte
ändern ändern aber nicht
immer die Energie.
wird und dabei auf den Körper eine konstante Kraft F in
Wegrichtung ausgeübt wird,
wird dem Körper die Energie
E  F  s zugeführt.
Leistung, Kraft,
Geschwindigkeit
Um eine große mechanische
Leistung zu erzielen, muss
viel mechanische Energie in
kurzer Zeit übertragen werden. Mechanische Energie
kann aber nur übertragen
werden, wenn eine Bewegung vorliegt. Der Zusammenhang zwischen
Leistung, Geschwindigkeit,
Geschwindigkeit und Kraft
wird durch folgende
Gleichung beschrieben:
E Fs
P

 F v
t
t
Energie u. Druck
Je größer der Druck der Luft
ist, desto mehr Energie ist
gespeichert.
Masse, Gewichtskraft,
Dichte, Trägheit
Die Masse eines Körpers gibt
an, wie träge er ist. Wenn ein
Körper eine doppelt so große
Masse wie eine anderer hat,
ist eine doppelt so große
Batterie seinen Antrieb und
im Elektrogerät seine
Hemmung.
Der elektrische Strom
bewirkt eine Temperaturerhöhung des Leiters.
Die elektrische Stromstärke
gibt an, wie viele Elektronen
in einer bestimmten Zeit an
einer Stelle des Stromkreises
vorbeiströmen.
Der elektrische Strom erzeugt
ein Magnetfeld um einen
Leiter.
Text, kein Merksatz:
Jede Quelle schiebt schiebt
die Elektronen von der
Quelle zum Gerät und wieder
zurück, wenn der Stromkreis
geschlossen ist. Wie stark die
Elektronen angetrieben
werden hängt von der Quelle
ab. Die Stärke des Antriebs
wird durch den
physikalischen Begriff
Spannung gekennzeichnet. …
Im Zusammenspiel von
Antrieb (Spannung U) und
Hemmung (Widerstand R)
stellt sich in jedem
Stromkreis eine ganze
bestimmte Stromstärke I ein.
Teilchenmodell
Druck, Strömungen
Teilchenbewegung
und Energiestrom
Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto größer
ist die mittlere Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen bei ihrer ungeordneten
Bewegung.
Die innere Energie eines
Körpers ist die Summe der
Energien all seiner Teilchen.
Sie steigt mit der Temperatur.
Innere Energie fließt von
selbst von Heiß nach Kalt,
von hoher zu niedriger
Temperatur. Man spricht von
Wärmeleitung. Die
Energiestromstärke ist der
Quotient Energie/Zeit:
I = W/t.
Ihre Einheit ist 1J/s = 1Watt.
Ladung-StromSpannung
(nm.: Aus Analogiebetrachtung zum Wasserstromkreis
Kraft erforderlich, um seine
Geschwindigkeit ebenso
schnell zu ändern.
Der Impuls
(Keine Merksätze aber Text:)
Wovon hängt die Wucht des
Aufpralls ab? … Je größer
die Masse der Abrissbirne,
desto größer ist ihre Wucht.
… Die Wucht hängt also
auch noch von der Geschwindigkeit der Abrissbirne ab.
… Schwung und Wucht sind
umgangssprachliche Begriffe.
… Daher hat man in der
Physik eine Größe festgelegt,
die man messen kann und
beschreibt, was man mit
Wucht und Schwung meint.
Bewegt sich ein Körper mit
der Masse m mit der
Geschwindigkeit v, so besitzt
den Impuls p. p=mv.
… 1kg m/s
… Impulserhaltung
und Wasserdruck folgt:)
Die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei
Punkten nennt man elektrische Spannung. Beide werden in Volt (V) gemessen.
Das Potential der Erde beträgt 0 Volt.
Je größer die elektrische
Spannung U ist, desto größer
ist die Energie, die beim
Fließen einer bestimmten
Ladungsmenge umgesetzt
werden kann.
Wenn entgegengesetzte
Ladungen unter Aufwand
von Energie getrennt werden,
entsteht zwischen ihnen eine
Potentialdifferenz. Es entsteht eine elektr. Spannung.
Diese Energie steht auf Abruf
bereit. Sie wird umgesetzt,
wenn Ladung fließt.