Lehrermaterial Physik 8 duden paetec

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
© 2005 DUDEN PAETEC GmbH, Berlin
Internet: www.duden-paetec.de
Redaktion PD Dr. habil. Barbara Gau
Umschlaggestaltung Johanna Dörsing
Layout und Zeichnungen Michael Iden
ISBN 3-89818-361-0
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.1
Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.1.1 Druck und Druckausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.1.2 Schweredruck und Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.2
Lernbereich 2: Thermische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.2.1 Thermische Energie und Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.2.2 Thermische Energie und Aggregatzustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.2.3 Übertragung von thermischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
4.2.4 Wärmekraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
4.3
Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.3.1 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.3.2 Elektrische Energie und elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
6
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
7
Aufgaben des Arbeitsheftes mit Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material
Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klasse 8 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 8, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 3-89818-358-0
– Arbeitsheft Level Physik, Klasse 8, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 3-89818-359-9 oder
ISBN 3-89818-380-7 (einschließlich CD-ROM)
Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe I sind zu empfehlen:
– Basiswissen Schule Physik. Verlage DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 3–89818–010–7
– Formelsammlung bis Klasse 10. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
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
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur
Auswahl)
Kraftwandler – früher und
heute
Elektrische Schaltungen
Vom Fliegen
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur
Auswahl)
Sehen und Fotografieren
Wärmedämmung
Farben
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
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.)
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
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
Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 – 10
3
DE Aufpumpen eines Fahrradreifens, Spielzeugmodelle mit
hydraulischer oder pneumatischer Kraftübertragung, Seifenspender, Weinheber, Blasrohr u. Ä.
Historisches zu Heißluftballon und Luftschiff, Auftrag für
Schülervortrag erteilen
Hinlenken zu Änderung eines inneren Zustands der Flüssigkeiten und Gase, der mit dem Druck beschrieben wird
Deutung des Drucks mit dem Teilchenmodell („Drängeln“ der
Teilchen)
DE Simulation mit dem Luftkissentisch, Druckkraft als Einwirkung der Teilchen auf die Gefäßwand (Grenzfläche)
physikalischer Inhalt (aus Modelldeutung), Formelzeichen,
Einheiten 1 Pa und 1 bar
Kennen der physikalischen Größe Druck
Einführen in den Lernbereich
Druck und Druckkraft in abgeschlossenen
Gefäßen
physikalische Größe Druck
4
(2)
Methodische Hinweise
Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
Inhalte
Lehrbuch Level Physik 8 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2005. ISBN 3-89818-358-0
Arbeitsheft Level Physik 8 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2005. ISBN 3-89818-359-9
Anleitungen für Schülerexperimente SEK I
Arbeitsblätter SEK I – Kopiervorlagen
Schülerexperiment
Demonstrationsexperiment
Wiederholung aus anderen Lernbereichen oder anderen Fächern
12
Std.zahl
LB
AH
SEA
AB I
SE
DE
Wh
Es werden folgende Abkürzungen verwendet:
3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
Luftkissentisch
Geräte für Demonstrationen
Bilder und Berichte zu Ballon und Luftschiff
LB S. 6– 43
AH S. 1–12
Hinweise auf Lehr- und
Lernmittel
4
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
Herleiten der Gleichung für den Schweredruck, dabei Wh zu
Dichte und Ortsfaktor
DE mit Druckdose und U-Rohr-Manometer, Abhängigkeit von
Höhe und Stoff
allseitige Wirkung des Schweredrucks
Wirkungsweise eines U-Rohr-Manometers
Berechnungen zum Schweredruck
Ursachen des Schweredrucks
p=g·r·h
hydrostatisches Paradoxon
(1)
(2)
(1)
DE Pascalsche Waage
Erklärungen für die technischen Lösungen zu den Einführungsbeispielen
verbundene Gefäße und deren Anwendungen: Gießkanne,
Geruchsverschluss, Schiffsschleuse
Festigen: je 10 m Wassertiefe entspricht 100 kPa Druckzunahme
Berichten über Erscheinungen, die auf dem Schweredruck
basieren: Tauchen in verschiedenen Tiefen, Tiefseeexpeditionen, Schiffsbergung, Talsperrenprofil
Gewichtskraft der Flüssigkeit als Druckkraft auf eine angenommene Grenzfläche in verschiedener Tiefe
Kennen des Schweredrucks in Flüssigkeiten
4
Übertragung von Kräften über den Flüssigkeitsdruck
DE Änderung von Richtung und Betrag von Kräften an zwei
Kolben
Anwendungen: Baggerarmbewegung, Hebezeuge, hydraulische Bremse an Pkw
Berechnen von Kräften unter Nutzung der Gleichung für den
Kolbendruck
Herleitung der Gleichung F1/A1 = F2/A2
DE Hinweis auf goldene Regel
Kraftübertragung in hydraulischen Anlagen
DE Veränderung des Drucks bei äußerer Kraftwirkung auf
eine bewegliche Fläche und Kraftwirkung auf die Innenfläche
beim Entspannen
Verdeutlichen der Gleichung
resultierende Kraft bei Druckunterschieden an Grenzflächen
Berechnungsaufgaben, dabei Einheiten vertiefen und
umrechnen
(2)
p = F/A
Kolbendruck
Realgeräte, Glasmodelle,
Applikationen, Videosequenzen
Geräte für DE
U-Rohr-Manometer
Geräte für DE
Bilder, Literatur
Bildmaterial, Realteile:
Bremszylinder
Anordnung von zwei unterschiedlichen Kolbenprobern
Kolbenprober
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
5
1
3
DE Nachweis des Auftriebs in Luft
Schülervorträge: Luftschiff (Fesselballon), Heißluftballon
DE kartesianischer Taucher
DE Bedingungen für die Zustände, Abgrenzung der Begriffe
von umgangssprachlichen Bedeutungen
Gegenüberstellen der Auftriebsänderung bei Fischen
(Schwimmblase) und bei U-Booten (Ballasttanks)
Anwendungen erörtern: Heben von Schiffswracks, Auftriebskörper an Fischfangnetzen, Schwimmerregler bei Toilettenspülbehältern, Füllstandsanzeigen, Dichtebestimmung mit
Aräometer, Schwimmen von Hohlkörpern (Schiffe, Bojen)
Sinken, Steigen, Schweben und Schwimmen
statischer Auftrieb in Luft
(Abstimmen evtl. mit Wahlpflichtbereich 1)
DE/SE archimedisches Gesetz (arbeitsteilig)
archimedisches Gesetz
Erörterungen zum Luftdruck bei Wetterprognosen, Entstehung von Luftströmungen in der Atmosphäre
Analogie zwischen Schweredruck in Flüssigkeiten und im
„Luftmeer“, Unterschiede wegen Komprimierbarkeit der
Gase und unterschiedlicher Größenordnungen der Dichte
Informieren über Normdruck, Vakuum
Aufbau und Wirkungsweise des Dosenbarometers, Informieren über Wasser- und Quecksilberbarometer
Berichten über historische Experimente (Magdeburger Halbkugeln) und Nachgestalten dieser Experimente, Würdigung
Otto v. Guericke (Recherche)
Auftriebskraft als Differenz zwischen Gewichtskraft und
scheinbarer Gewichtskraft einführen
Ursache des Auftriebs mit unterschiedlichem Schweredruck
an Deck- und Bodenfläche erklären
Auftrieb als Folge des Schweredrucks
Übertragen der Eigenschaften des Schweredrucks in Flüssigkeiten auf den Luftdruck
DE Heben eines Ziegelsteins aus Eimer mit Wasser, Berichte
über Schülererfahrungen zum Auftrieb
Anwenden des Auftriebs auf Körper in Flüssigkeiten
Geräte für DE
Geräte für DE
Dosenbarometermodell,
Heberbarometer
Geräte für DE
Wetterkarten
Realgeräte, Modelle
Geräte für DE
Geräte für DE
SEA M 15, M 14
Anordnung zum kartesianischen Taucher, Tauchkörper
mit veränderlichem Ballast
6
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
(4)
(4)
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
Wh Kl.6 Aggregatzustandsänderungen und Umwandlungstemperaturen
Deutung der Aggregatzustandsänderungen mit Teilchenmodell, Änderung der thermischen Energie – Umwandlungswärme
Umwandlungstemperatur
Umwandlungswärme
DE Erwärmen von Wasser, einschließlich Verdampfen (auch
Wh Kl. 6), Auswertung unter der Sicht der Änderung der thermischen Energie bei Änderung des Aggregatzustandes
Auswerten der Ergebnisse aus dem Einführungsexperiment
zu Q ~ ∆ T
DE zu Q ~ m und Abhängigkeit vom Stoff, dabei Überlegungen zu den Experimentierbedingungen, Deuten der Ergebnisse in der Teilchenvorstellung
spezifische Wärmekapazität c, Tabellenwerte vergleichen,
besondere Bedeutung von c des Wassers herausstellen
Beispiele für praktische Auswirkungen diskutieren, Lösen von
Berechnungsaufgaben
Zusammenhang zwischen Wärme und Temperaturänderung in Abhängigkeit von der
Masse des Körpers und dem Stoff, aus dem
er besteht
Q = c · m · ∆T
spezifische Wärmekapazität des Wassers
Thermische Energie und Aggregatzustandsänderungen
DE Temperaturausgleich: Änderung der thermischen Energie
der Flüssigkeiten durch Wärme ohne Änderung des Aggregatzustandes, ∆ Etherm = Q
absolute Temperatur
Änderung der thermischen Energie durch
Wärme
Bezug zu Kl.6: Temperatur und Teilchenbewegung
Gedankenexperiment: Deutung des Zusammenhangs von
Temperaturabsenkung und thermischer Energie, Existenz
einer tiefstmöglichen Temperatur, Kelvinskala
besonderes Formelzeichen T und Einheit 1 Kelvin, Umrechnungen aus Celsiusskala, Hinweis auf Fahrenheitskala
Kennen der physikalischen Größen thermische Energie und Wärme
Deutung der thermischen Energie im Teilchenmodell
10
(2)
thermische Energie als Größe zur Beschreibung der Summe
der kinetischen und potenziellen Energien aller Teilchen
DE Temperaturerhöhung eines Körpers durch Zufuhr mechanischer Energie (Draht biegen, Reiben, Gas komprimieren)
Lernbereich 2: Thermische Energie
15
Geräte für DE
Schülerduden, oder ähnliche Wissensspeicher
Geräte für DE
GTR zur Erfassung und grafischen Darstellung der
Messwerte
Geräte für DE
Niederschriften aus Klasse 6
Geräte für DE
LB S. 44–93
AH S. 13–21
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
7
DE/SE Gleichzeitiges Messen von Stromstärke und Spannung
in einem einfachen Stromkreis, dabei Wh aus Kl. 7, insbesondere physikalischer Inhalt der Größen
Kennen der physikalischen Größe elektrischer Widerstand
Zusammenhänge am Beispiel der Vorgänge in den einzelnen
Takten an einem Verbrennungsmotor erläutern
Halb quantitative Zusammenhänge
zwischen p, V und T
4
Erkennen der diskontinuierlichen Energieumwandlungen:
chemische Energie B thermische Energie B erwünschte
mechanische Energie und unerwünschte thermische Energie
(Notwendigkeit der Kühlung)
Hinweis auf kontinuierliche Energieumwandlung in Gasturbine
Energieflussdiagramme deuten, Wirkungsgrade vergleichen
Energieumwandlungen
Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
Teile benennen und ihr Zusammenwirken in den vier Takten
erläutern, Zufuhr von Energie im 3.Takt, Umwandlung in
mechanische Energie
Unterschiede zwischen Otto- und Dieselmotor in Bezug auf
die Einleitung der Verbrennung
Berichten über Möglichkeiten der Übertragung von thermischer Energie zwischen Körpern aus der Lebensumwelt
DE Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung
Richtung der Energieübertragung zum Körper niederer Temperatur
Beschreiben und Erklären an Beispielen aus dem täglichen
Leben und der Technik
„Wärmedämmung“ am Beispiel Thermosflasche, Gebäude
(Modellbau anregen), Rohrleitungen
Einblick gewinnen in den Aufbau und das
Wirkprinzip von Wärmekraftmaschinen
Aufbau und Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors
Kennen der Möglichkeiten zur Übertragung
von thermischer Energie
Leitung, Strahlung, Strömung
15
3
3
Umwandlungswärme beim Schmelzen (Erstarren) und Verdampfen (Kondensieren, Verdunsten) verschiedener Stoffe
Diskussion von praktischen Sachverhalten: Dampferzeugung
und Kühlung in Kraftwerken, Abkühlen durch Verdunsten u.
a., Deuten von Diagrammen
Geräte für Experimentierfolge
LB S. 94–123
AH S. 22–32
Schnittdarstellung einer
Gasturbine
Schnitt- oder Overheadprojektormodelle
Thermosflasche
Wärmebilder von Gebäuden, Dämmmaterial
Geräte für DE
Bilder zu Arbeitsschema
eines Wärmekraftwerks,
Geräte für Demonstrationen
8
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
1
2
Begriff Widerstand einführen
DE/SE Erhöhen der Spannung, bis sich ursprüngliche Stromstärke einstellt
Erkennen: zur Überwindung eines größeren Widerstands ist
höhere Spannung erforderlich für bestimmte Stromstärke,
Deutungen mit dem Elektronenmodell
Feststellen, dass R des Bauelements mit dem Quotienten U/I
definiert wird
Definitionsgleichung des Widerstands, physikalischer Inhalt,
Formelzeichen, Einheit
einfache Berechnungen, dabei 1 V/1 A = 1 Ω
Auftrag Schülervortrag zur Würdigung von GEORG SIMON OHM
erteilen
Ausführungen technischer Widerstände, Mehrdeutigkeit des
Begriffs, Farbcode
SE Widerstandsbestimmung (evtl. Kontrollexperiment)
Feststellen, dass für technische Widerstände häufig Metalldrähte genutzt werden, Frage nach der Abhängigkeit des
Widerstandes von den Drahteigenschaften
DE Untersuchen der Abhängigkeiten, Eingehen auf spezifischen elektrischen Widerstand
Tabellenwerte aufsuchen und vergleichen
Begriffe Halbleiter und Isolator
Zusammenfassen zum Widerstandsgesetz (Gültigkeitsbedingung später nachreichen)
Halb quantitative Betrachtungen und Berechnungen zum
Widerstandsgesetz an praktischen Sachverhalten
DE Bestimmen der elektrischen Widerstände einer Glühlampe, einer Kohlefadenlampe o. Ä. bei zwei verschiedenen
Stromstärken (Bauelement durch Eigenleitung kalt und
erhitzt)
Begriff Widerstand
Physikalische Größe elektrischer Widerstand
R = U/I
Kennen des Widerstandsgesetzes
Einblick gewinnen in den Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand
von Metallen und Halbleitern
l
R = r · --A
DE/SE Ersetzen des Bauelements durch ein anderes mit größerem Widerstand mit U = konst., Veränderung von I beobachten
Erkennen der Ursache in der Eigenschaft des Bauelements –
trotz gleichen Antriebs – das Fließen des elektrischen Stroms
zu behindern
Eigenschaften eines Bauelements
Geräte für DE
SEA E 11, E 12
Geräte für DE, GTR
AB Der elektrische Widerstand von Metallen
regelbare Widerstände und
Festwiderstände
SEA E 10 oder E 9
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
9
4
4
P=U·I
elektrische Leistung als Größe zur Beschreibung, wie viel
Energie in jeder Sekunde das elektrische Gerät umsetzt
Formelzeichen, Einheit, dabei Bezug zu Kl. 7
DE Abhängigkeit der Helligkeit einer Glühlampe von der
Stromstärke bei U = konstant und von der Spannung bei
I = konstant
Gleichung für Leistung interpretieren und mit Experimentierergebnissen vergleichen, Leistungen von Geräten im Haushalt
erkunden (Typenschilder)
Berechnen von Stromstärken beim Betrieb dieser Geräte, Notwendigkeit der Absicherung von Stromkreisen
physikalische Größe Leistung
verschiedene Schmelzsicherungen und Leitungsschutzschalter
AB Elektrische Leistung
Geräte für DE: u. a. Haushaltglühlampe 100 W,
Fahrradscheinwerferlampe
6 V/0,4 A,
Rücklichtlampe 6 V/0,1 A
Glühlampe, Bügeleisen,
Lautsprecher
Herleiten aus Definitionsgleichung: I ~ U
Erkennen, dass diese Beziehung nur für R = konstant gilt bzw.
bei temperaturabhängigen Bauelementen für J = konstant
ohmsches Gesetz
Prüfen, für welche der untersuchten Bauelemente das ohmsche Gesetz gilt
SV Würdigung GEORG SIMON OHM
ohmsches Gesetz
Wh Energieumwandlungen in elektrischen Geräten, Beispiele
diskutieren
SEA E 13, E 27, E 28
AB Der elektrische Widerstand
SE I(U)-Kennlinie verschiedener Bauelemente (arbeitsteilig)
Deuten der Kennlinien, Einsatzbeispiele für Kalt- und Heißleiter sowie temperaturunabhängige Widerstände (ohmsche
Bauelemente)
Kennen des Zusammenhangs zwischen
Stromstärke und Spannung für verschiedene Bauelemente
I(U)-Kennlinien von Bauelementen
Anwenden der Kenntnisse über die umgewandelte elektrische Energie und Leistung
elektronisches Thermometer
Katalogmaterial
Widerstandsänderung durch Fremderwärmung, Thermistor z.
B. in elektrischen Thermometern, Notwendigkeit der Kühlung elektronischer Geräte
Feststellen, dass Widerstand eines Bauelements temperaturabhängig sein kann
Begriffe Kaltleiter (z. B. Metalle), Heißleiter (Kohlenstoff,
reine Halbleiter), Recherchieren auch zur Supraleitung
Nachtragen der Gültigkeitsbedingung für das Widerstandsgesetz
10
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
© DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-361-0
4
Kennen der Gesetze der Widerstände in
Stromkreisen
Gesetze für die Widerstände im unverzweigten und im verzweigten Stromkreis
4
Gestalten einer Experimentieranordnung
(Abstimmen evtl. mit Wahlpflichtbereich 3)
Potenziometerschaltung
strom- und spannungsrichtige Messschaltungen
Anwenden regelbarer Widerstände
1
1
1
----------- = ------ + -----R ges R 1 R 2
Rges = R1 + R2
Lernbereich 4: Selbstständiges
Experimentieren
8
E=U·I·t
elektrische Energie
Drehwiderstände zur Stromstärkeänderung (indirekt proportionales Verhältnis von Stromstärken und Widerständen)
Potenziometerschaltung zur Spannungsteilung
Experimentelle Untersuchung des Einflusses des Messgerätes
auf Messunsicherheiten
SE Aufnehmen einer I(J)-Kennlinie eines Heißleiters und Temperaturmessung damit
SE Aufbau einer Füllstandskontrolle
Experimentelle Bestätigung der Ergebnisse in getrennt
gemeinschaftlicher Arbeit, rechnergestützte Messwerterfassung und Auswertung
Beispiele für die Anwendung der Gesetze: Vorwiderstandsschaltung, Realisieren kleinerer Widerstandswerte in einer
Schaltung durch Parallelschaltung von Widerständen mit größeren Werten, Messbereichserweiterung
Deduktives Herleiten der Gesetze unter Verwendung der
Gesetze für Stromstärke und Spannung sowie der Gleichung
für den elektrischen Widerstand
Zur Vorbereitung auf das Praktikum in den folgenden Klassenstufen sollten die Schüler in Gruppen arbeitsteilig an
experimentellen Aufträgen arbeiten, die im Unterricht und in
häuslicher Arbeit vorbereitet werden. Die Experimentierergebnisse sind von den Gruppen vorzustellen.
elektrische Energie als hoch veredelte Energieart, Bezug zu
Kl. 7: Erzeugung elektrischer Energie, Energieentwertung bei
ihrer Nutzung durch Umwandlung
Energiesparmaßnahmen
Ermittlung der im Haushalt umgewandelten Energie mit dem
Elektrizitätszähler (Auftrag für häusliche Arbeit)
Energiekostenabrechnung eines Energieversorgers nachprüfen
Berechnen der von einem Gerät umgesetzten Energie, Bezug
zu physikalischem Inhalt der elektrischen Leistung, daraus
Gleichung entwickeln, Einheiten 1 Ws, 1 kWh
Geräte für SE
Geräte für SE
SEA E 17, E 16
SEA E 15 jeweils 1. oder 2.
Auftrag, E 14
GTR bzw. Computer
LB S. 124–135
Elektrizitätszähler
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
11
4
4
Leitwerkmodell
Materialbereitstellung
Wh Auftrieb in Flüssigkeiten, archimedisches Gesetz
DE Gewichtskraft von Luft, Dichtebestimmung
DE Fehlen des Auftriebs im Vakuum
Fesselballon: Vergleich von Dichten der Gase
Heißluftballon: Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der
Dichte
Luftschiff: Steuerfähigkeit durch Vortrieb
SE Heißluftballon
Wirkprinzipien beim Fesselballon und beim
Heißluftballon
Bau eines Modells eines Heißluftballons
Wh natürliche Richtung der Übertragung von thermischer
Energie, Vergleich mit Funktion des Kühlschranks, Erkennen
des scheinbaren Widerspruchs, Unterscheiden der Richtung
der Energieübertragung von selbst und bei technischen Geräten mit zusätzlich aufgewendeter Energie
Wh: Zusammenhang p, V, T
Umwandlungswärme beim Verdampfen und Kondensieren
DE Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck, Hinweis
auf Schnellkochtopf
Erschließen des Lehrbuchtextes, Erklären der Vorgänge in den
Bauteilen
Erkennen der Umkehrung der Aufgabenstellung und der
Nutzbauteile, Besonderheiten der Wohnraumheizung mit
Wärmepumpen, Sinn des Einsatzes von Wärmepumpen
Richtung der Energieübertragung
Gesetzmäßigkeiten, die der Wirkungsweise
der technischen Geräte zugrunde liegen
Wirkungsweise des Kühlschranks
Vergleich von Kühlschrank und Wärmepumpe
Kühlschrank (Realgerät)
Analysieren eines Kühlschranks hinsichtlich seiner Bauteile
Grundprinzip: Entzug thermischer Energie im Inneren, Übertragung nach außen
Anwenden der Kenntnisse auf das Wirkprinzip von Kühlschrank und Wärmepumpe
Recherche: Internet und
Prospekte der Energielieferer
Geräte für DE
LB S. 141–144
Wahlpflichtbereich 2: Kühlschrank und Wärmepumpe
Geräte für DE
Video Gebrüder Montgolfier, Berichte und Bilder zu
Luftschiffen, Bilder von
Wetterballons
Besuch eines technischen Museums oder Videosequenzen
oder Auswertung populärwissenschaftlicher Literatur zu den
Gebrüdern Montgolfier, Zeppelinluftschiffe, heutige Nutzung
von Ballons als Werbeträger, Wetterbeobachtung, Versuche
der Nutzung zum Schwerlasttransport
Anwenden der Kenntnisse zum statischen
Auftrieb auf das Ballonfahren
Historische Entwicklung
LB S. 136–140
Die Inhalte sind mit dem Lernbereich 1 abzustimmen.
Wahlpflichtbereich 1: Vom Ballonfahren
12
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
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4
Bei allen Verfahren soll die Messgrößenwandlung bewusst
gemacht werden.
Wh Heiß- und Kaltleiter
SE Aufnehmen einer Temperaturkurve eines Thermistors
(Erwärmen und Abkühlen) und Bestimmen der Temperatur
einer Flüssigkeit
Temperaturmessung mit Metallthermometern, evtl. mit Thermoelementen
Wh Abhängigkeit des Widerstands eines Drahtes von Länge
und Querschnittsfläche, Änderung der geometrischen
Abmessungen eines Drahtes bei Dehnung durch Kräfte
(Modellexperiment mit Plastilin)
DE Funktion eines Dehnungsmessstreifens
Wh Schwimmen von Hohlkörpern, Zusammenhang von Drehwinkel, Widerstand und Stromstärke
Aufbau eines Gebers für Kraftstoffmengenanzeige in Kfz,
Modellbau
Anwenden der Kenntnisse über Eigenschaften von Bauelementen zum elektrischen
Messen
Kraftmessung
Füllstandsmessung
Temperaturmessung
Abstimmen mit Lernbereich 4
Wahlpflichtbereich 3: Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen
Realgerät
Material für Modellbau
Plastilin
Geräte für DE, Dehnungsmessstreifen, Widerstandsmessbrücke
Metallthermometer (Realgerät)
Thermoelement
SEA P 13
LB S. 145–149
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
13
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14
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Empfehlungen und Materialien zur
Unterrichtsgestaltung
Geeignet sind solche Beispiele wie
– Druck in Reifen, Bällen und Wasserleitungen,
– Druck auf schneebedecktem Boden mit und
ohne Skier,
– Druck im Inneren einer Gasflasche oder einer
Spraydose,
– Druck beim Tauchen im Wasser.
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.
Kräfte, die senkrecht auf Flächen wirken, kennzeichnen auch den Druck, den feste Körper auf eine
Unterlage ausüben. Von daher bietet es sich an, in
einer einfachen Experimentierfolge zu zeigen, dass
die Wirkung von Flächen sowohl vom Betrag der
Kraft als auch von der Größe der Fläche abhängig
ist. Als Hilfsmittel werden eine dicke, zusammendrückbare Gummimatte, ein Holzklotz mit verschieden großen Flächen und unterschiedliche Massestücke (500 g, 1 kg, 2 kg, 5 kg) benötigt.
1. Auf eine bestimmte Fläche wirken unterschiedliche Kräfte. Sie werden durch unterschiedliche
Massestücke hervorgerufen.
4.1 Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
4.1.1 Druck und Druckausbreitung
Mit der physikalischen Größe Druck lernen die
Schüler eine Größe kennen, die für viele Anwendungen von Bedeutung ist und auch in verschiedenen Gebieten der Physik, z. B. in der Thermodynamik, eine wichtige Rolle spielt.
Sowohl bei der Behandlung des Kolbendrucks als
auch bei der nachfolgenden Behandlung des
Schweredrucks in Flüssigkeiten und Gasen sollte
den Schülern bewusst gemacht werden, dass der
Druck eine physikalische Größe ist, die den Zustand
im Innern von Flüssigkeiten oder Gasen kennzeichnet, die sich in geschlossenen Gefäßen befinden.
Dabei wirken Druckkräfte senkrecht auf Flächen.
Es zeigt sich: Bei einer bestimmten Fläche ist die
Eindringtiefe umso größer, je größer die Kraft
ist.
Es ist zu empfehlen, zunächst an unterschiedlichen
Beispielen aus dem Erfahrungsbereich der Schüler
den allgemeinen Druckbegriff einzuführen.
Tafelbild
Der Druck
Der Druck p kennzeichnet den Zustand im Inneren von Flüssigkeiten und Gasen, die sich in geschlossenen Gefäßen befinden.
Es wirken Druckkräfte F senkrecht auf die Begrenzungsflächen A des Gefäßes.
Der Druck ist umso größer,
– je größer die wirkende Kraft (Druckkraft) ist,
– je kleiner die Fläche ist, auf die diese Kraft wirkt.
F
p = ---A
Einheiten des Drucks: 1 N/m2 = 1 Pa
1 bar
= 100 000 Pa
= 100 kPa
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
2. Eine bestimmte Kraft wirkt auf unterschiedliche
Flächen. Dazu werden die verschiedenen Flächen des Holzklotzes genutzt.
Es zeigt sich: Bei einer bestimmten Kraft ist die
Eindringtiefe umso größer, je kleiner die Fläche
ist.
Damit ist die Definition des Druckes inhaltlich vorbereitet. Sie sollte den Schülern mitgeteilt und
interpretiert werden. Damit werden zugleich wichtige Anwendungen vorbereitet. Die wichtigsten
Zusammenhänge sind im TB dargestellt.
Die Definition des Drucks wird nun auf Gase und
Flüssigkeiten angewendet, wobei die speziellen
Fälle des Gasdrucks und des Kolbendrucks in Flüssigkeiten im Vordergrund stehen.
Dabei geht es um den Druck in geschlossenen Gefäßen. Der Schweredruck bleibt unberücksichtigt.
Es sind zwei Aussagen herauszuarbeiten:
a) In Gasen und Flüssigkeiten in geschlossenen Gefäßen ist der Druck überall gleich groß, vorausgesetzt, man vernachlässigt den stets wirkenden
Schweredruck.
Diese Aussage kann an Beispielen plausibel
gemacht werden.
So kann man z. B. mit den Schülern diskutieren,
welche Konsequenzen sich für die Form von Reifen oder Bällen ergeben würden, wenn der
Druck nicht überall im Reifen oder Ball gleich
groß wäre.
b) Der Druck ist in allen Richtungen gleich groß (Er
breitet sich gleichmäßig und allseitig aus.).
Das lässt sich sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten mithilfe einer Kugelspritze zeigen.
Bringt man in eine Kugelspritze Rauch und
beleuchtet die Anordnung von der Seite vor
einem dunklen Hintergrund, so kann man in
einem abgedunkelten Raum das gleichmäßige
Austreten des Rauches aus den Öffnungen beim
Hineinschieben des Kolbens sehr gut beobachten.
Den Schülern sollte deutlich gemacht werden, dass
der Kolbendruck lediglich eine Bezeichnung für
den Druck ist, den eine Flüssigkeit oder ein Gas auf
einen beweglichen Kolben ausübt.
Die wichtigsten Zusammenhänge sind in der
Kopiervorlage zusammengefasst. Genutzt werden
kann auch das beiliegende Arbeitsblatt.
Als eine wichtige Anwendung werden hydraulische
Anlagen behandelt. Dabei kann die beiliegende
Kopiervorlage genutzt werden.
15
4.1.2 Schweredruck und Auftrieb
Schweredruck tritt auch bei Flüssigkeiten und Gasen in abgeschlossenen Gefäßen auf, also im Zusammenhang mit dem Kolbendruck und dem Druck
in Gasen. Da der Schweredruck dort in den meisten
Fällen aufgrund der Abmessungen der Gefäße
praktisch keine Rolle spielt, ist es vertretbar, von
vornherein den Schweredruck davon abzukoppeln
und als eine Größe einzuführen, die infolge der Gewichtskraft einer Flüssigkeit bzw. eines Gases entsteht.
Für die Einführung der Größe Schweredruck gibt es
unterschiedliche Möglichkeiten:
a) Es wird vom Erfahrungsbereich und vom Vorwissen der Schüler ausgegangen, z. B.:
– Beim Tauchen spürt man Druck auf den Ohren.
– Wenn man sehr tief tauchen will, braucht man
eine spezielle Ausrüstung.
– Eine Staumauer ist in der Regel an der Krone
viel schmaler als an der Sohle.
Daraus kann die Frage nach den Ursachen abgeleitet und im Folgenden experimentell untersucht
werden.
b) Es wird von Experimenten ausgegangen. Eine
Variante besteht darin, ein Glasrohr unten mit
einer Gummimembran (Luftballongummi) zu
verschließen und Wasser einzufüllen. Die Gummimembran dehnt sich gut sichtbar nach unten
aus.
Andere Varianten sind in den beiden nachfolgenden Skizzen dargestellt.
Bei den Experimenten kann die Frage nach den
Ursachen für die zu beobachtenden Erscheinungen Ausgangspunkt für alle weiteren Betrachtungen sein.
c) Es wird von einer anschaulichen Beschreibung
der Tauchversuche des Schweizer Naturforschers
AUGUSTE PICCARD (1884-1962) ausgegangen:
PICCARD erforschte nicht nur mit Ballons die
Erdatmosphäre (1931 erreicht er eine Höhe von
15 781 m), sondern auch die Tiefen des Meeres.
1953 erreichte er zusammen mit seinem Sohn
JACQUES mit einer von ihm entworfenen Tauch-
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16
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
kugel bei Neapel eine Tiefe von 3150 m. 1960
erreichte JACQUES PICCARD zusammen mit DONALD
WALSH in einer von AUGUSTE PICCARD konstruierten Tauchkugel im Marianengraben (Pazifik)
eine Tiefe von ca. 11 000 m. Die Tauchkugel
bestand aus speziellem Stahl und hatte eine
Wanddicke von 12 cm.
Warum war eine so dicke Wandung erforderlich?
In Analogie zur Gewichtskraft eines festen Körpers,
der damit auf eine Unterlage einen Druck ausübt,
kann der Schweredruck als der Druck gedeutet werden, der durch die Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule entsteht.
Die notwendigen experimentellen Untersuchungen und Demonstrationen
– zur Abhängigkeit des Schweredrucks von der
Eintauchtiefe,
– zur Abhängigkeit des Schweredrucks von der
Dichte der jeweiligen Flüssigkeit,
– zur allseitigen Wirkung des Schweredrucks in
einer bestimmten Tiefe
können mit einer Druckdose in Verbindung mit einem einfachen U-Rohr-Manometer durchgeführt
werden.
Die Unabhängigkeit des Schweredrucks von der Gefäßform (hydrostatisches Paradoxon) kann man mit
einem Bodendruckapparat oder mit einer pascalschen Waage zeigen. Zur Deutung des hydrostatischen Paradoxons ist es zweckmäßig, die allseitige
Wirkung des Drucks in einer bestimmten Tiefe h in
den Mittelpunkt zu stellen. Damit kann z. B. auch
deutlich gemacht werden, dass in einer Unterwasserhöhle (s. Skizze) durch das Wasser auf die Decke
dieser Höhle eine Kraft ausgeübt wird, die vom Abstand h der Decke von der Wasseroberfläche abhängig ist.
Eine Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse ist im Tafelbild gegeben.
Tafelbild
Der Schweredruck in Flüssigkeiten
Der Schweredruck in einer Flüssigkeit kommt durch die Gewichtskraft der Flüssigkeit
zustande.
Der Schweredruck in einer bestimmten
Flüssigkeit ist umso größer, je größer die
Eintauchtiefe ist:
p~h
Der Schweredruck in einer bestimmten
Tiefe ist umso größer, je größer die
Dichte der Flüssigkeit ist.
p=r·g·h
Der Schweredruck wirkt in einer bestimmten Tiefe gleichmäßig nach allen Seiten.
Er ist unabhängig von der Form des Gefäßes.
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
17
Im Zusammenhang mit Anwendungen (z. B. Staumauern, Schleusen, Unterwassertunnel, Wassertürme) sollte nachdrücklich der weit verbreiteten
Fehlvorstellung entgegengewirkt werden, dass es
einen Zusammenhang z. B. zwischen der in einer
Talsperre gespeicherten Wassermenge und dem
Druck auf die Staumauer gibt. Die Schüler sind sehr
deutlich darauf aufmerksam zu machen, dass nicht
die Wassermenge, sondern nur die Tiefe bzw. Höhe
der Wassersäule für den Druck von Bedeutung ist.
Gewichtskraft des betreffenden Körpers entgegenwirkt.
Bei der Behandlung des statischen Auftriebs ist es
ein bewährter Weg, zunächst einige Überraschungsexperimente an den Anfang zu stellen:
– Eine metallische Schraube sinkt im Wasser nach
unten, in einem Gefäß mit Quecksilber schwimmt
sie.
– Es wird das Verhalten zweier Luftballons verglichen: Ein luftgefüllter Luftballon fällt nach unten,
ein mit Stadtgas gefüllter steigt nach oben.
– Am Modell eines Heißluftballons wird demonstriert, dass erwärmte Luft aufsteigt.
– Es wird gezeigt, dass ein (schwerer) Körper unter
Wasser eine wesentlich kleinere Gewichtskraft als
über Wasser hat.
– Ein gekochtes, geschältes Ei sinkt in einem
Becherglas mit Leitungswasser nach unten. In
einem Becherglas mit Salzwasser schwimmt es.
– In einem großen Standzylinder (s. Skizze rechts)
befinden sich verschiedene Flüssigkeiten. Unterschiedliche Körper „schweben“ in unterschiedlicher Tiefe (sie schwimmen auf der jeweiligen Flüssigkeit). Die skizzierte Anordnung ist stabil. Sie
kann über Jahre hinweg genutzt und auch problemlos transportiert werden.
– Es wird gezeigt, dass ein kartesischer Taucher je
nach den Bedingungen schwimmt, sinkt, schwebt
oder steigt.
Zumeist wird beim statischen Auftrieb auf Flüssigkeiten orientiert, die Schüler sollten aber zumindest
darauf aufmerksam gemacht werden, dass auch in
Gasen ein statischer Auftrieb auftritt. Der physikalische Hintergrund ist bei Flüssigkeiten und Gasen
der Gleiche: Die unterschiedlichen Schweredrücke
führen zu einer resultierenden Kraft, die der
Kork
Paraffinöl
(0,9 g/cm3)
Holz
Wasser
(1 g/cm3)
Kokosnussschale
Kohlenstofftetrachlorid
(1,6 g/ cm3)
Mutter
aus Stahl
Experimentell (SE oder DE) können die Zusammenhänge zwischen dem Betrag der Auftriebskraft und
der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeiten am
Beispiel von Wasser untersucht werden. Hierzu bietet auch das AH eine Experimentieranleitung. In
Verallgemeinerung der Untersuchungen kommt
man damit unmittelbar zum archimedischen Gesetz. Die wichtigsten Zusammenhänge sind im TB
und in der Kopiervorlage zusammengestellt.
Bei der Behandlung des Sinkens, Schwebens, Steigens und Schwimmens empfiehlt es sich, die jeweils
wirkenden Kräfte in den Vordergrund zu stellen.
Die Schüler können auch darauf aufmerksam gemacht werden, dass die durchschnittliche Dichte
des Körpers und die Dichte der betreffenden Flüssigkeit (bzw. des Gases) bestimmen, wie sich ein
Körper verhält. Diesen Zusammenhang kann man
auch leicht ableiten: Die Gewichtskraft eines Körpers ist von seiner Masse und diese von Volumen
und Dichte abhängig:
FG, K = mK · g = rK · VK · g
Die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit ist
vom Volumen des Körpers und der Dichte der Flüssigkeit abhängig:
FG, Fl = rFl · VK · g
Ein Vergleich beider Gleichungen zeigt, dass das
Verhältnis der Kräfte gleich dem Verhältnis der
Dichten ist.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Der statische Auftrieb
Aufgrund des unterschiedlichen Schweredrucks
wirkt eine Kraft
p
F1
1
p
2
F2
A1
FA = F2 – F1
A2
Aus p1 < p2 und A1 = A2 fi F2
nach oben. Sie wird als Auftriebskraft bezeichnet
und wirkt entgegen der Gewichtskraft.
> F1
Es gilt das archimedische Gesetz: Die in einer Flüssigkeit wirkende Auftriebskraft ist
gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit.
FA = FG
FG hängt ab von der Masse m der Körper, die sich in der Flüssigkeit befinden.
m hängt ab vom Volumen V und der Dichte r der Stoffe, aus denen sie bestehen.
FA = r · V · g
Für die Behandlung von Anwendungen gibt es eine
Vielzahl von Möglichkeiten. Eine Reihe davon sind
im Lehrbuch im Abschnitt Physik in Natur und Technik und bei den Experimenten und Aufgaben ausgewiesen. Einbezogen werden sollte hierbei auf jeden
Fall der Erfahrungsbereich der Schüler (Schwimmen,
Tauchen, Heben eines schweren Gegenstandes
unter Wasser, Ball unter Wasser drücken).
Bei den Anwendungen muss beachtet werden, dass
die Schüler nicht den statischen Auftrieb mit anderen Möglichkeiten des Aufsteigens oder Herabsinkens von Körpern verwechseln. So verfügt z. B. ein
U-Boot nicht nur über Tanks, die geflutet werden
können, sondern auch über Tiefenruder, durch die
bei einem fahrenden Boot die Tiefe verändert werden kann. Analoges gilt für Fische.
Genutzt werden sollten mit Blick auf Anwendungen auch die schönen Möglichkeiten für Hausexperimente, insbesondere:
– Untersuchungen der Eintauchtiefe eines Körpers
bei Leitungswasser und Salzwasser verschiedener Konzentration (Problem der Fahrt eines
Schiffes z. B. von der Elbe in die Nordsee).
– Bau und Erprobung eines kartesischen Tauchers
aus einem verschließbaren Tablettenröhrchen,
kleinen Nägeln zum Austarieren und einer großen durchsichtigen und gut verschließbaren
Plastikflasche.
Eine bewährte und die Schüler ansprechende Möglichkeit der Einführung in das Thema „Luftdruck“
sind Freihandexperimente, von denen die Schüler
auch einige zu Hause durchführen können und
dazu auch angeregt werden sollten:
– Der bekannte Versuch mit dem wassergefüllten
Glas und der Karteikarte wird für die Schüler
besonders attraktiv und einprägsam, wenn man
ihn nicht nur mit einem relativ kleinen Glas
durchführt, sondern auch mit Standzylindern
von 20 cm, 30 cm oder 50 cm Länge.
Der Versuch mündet hin zu den Fragen:
Warum fällt die Karte nicht ab?
Wie lang könnte die Wassersäule sein, bis die
Karte abfällt?
– Es wird die Wirkungsweise eines Saugfusses,
einer Pipette und des Verschlusses eines Konservenglases demonstriert und von daher die Frage
nach den Ursachen abgeleitet.
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
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– Eine leere Getränkedose (1/2 Liter) wird auf
einer Heizplatte erhitzt, dann heruntergenommen und durch Auflegen einer feuchten, dicken
Gummischeibe abgedichtet. Unter erheblichen
Geräuschen – man sollte die Schüler vorher darauf aufmerksam machen – verformt sich die
Dose, wobei diese Verformung auch optisch
deutlich wahrnehmbar ist. Auch hier steht im
weiteren die Frage nach den Ursachen für die
Verformung zur Diskussion.
– Es wird der Versuch mit den Magdeburger Halbkugeln durchgeführt.
Einheiten des Luftdrucks aufmerksam gemacht werden: Bei Wetterkarten und Barometern wird der
Luftdruck meist in hPa oder mbar angegeben.
Im Weiteren empfiehlt es sich, den Luftdruck analog zum Schweredruck in Flüssigkeiten zu behandeln: In Flüssigkeiten kommt der Schweredruck
durch die Gewichtskraft der betreffenden Flüssigkeit zustande, in der Luft durch die Gewichtskraft
der betreffenden Luft. Die weiteren Gemeinsamkeiten bestehen darin, dass
– der Druck von der Höhe abhängig ist und
– der Druck in einem bestimmten Punkt nach allen
Seiten gleichmäßig wirkt.
Der wesentliche Unterschied ist die gleichmäßige
Druckzunahme bei Flüssigkeiten mit zunehmender
Tiefe und die immer stärkere Druckzunahme bei
Luft mit abnehmender Höhe. Eine Begründung dafür ist leicht zu geben, wenn man die Schüler darauf aufmerksam macht, dass sich die Dichte der Luft
mit zunehmender Höhe verringert.
Im Interesse der Lebensverbundenheit des Unterrichts sollten die Schüler auf die unterschiedlichen
Die wichtigsten Erkenntnisse sind im Tafelbild
zusammengefasst. Zur weiteren Festigung kann das
Arbeitsblatt genutzt werden.
Für die Behandlung von Anwendungen gibt es eine
Vielzahl von Möglichkeiten, aus denen man auch
nach den Interessen der Schüler auswählen kann:
– Es wird auf die Sachverhalte genauer eingegangen, die in den einführenden Überraschungsexperimenten demonstriert worden sind.
– Es werden historische Aspekte in den Vordergrund gestellt (Entdeckung des Luftdrucks durch
OTTO VON GUERICKE, Aufbau und Funktionsweise
von Saugpumpen).
– Es werden mit den Schülern praktische und technische Probleme diskutiert, z. B.:
Welche Auswirkungen hat der geringere Luftdruck auf einem 3 000 m hohen Berg?
Muss bei Flugzeugen, die in 10 km Höhe fliegen,
der veränderte Luftdruck beachtet werden?
– Spüren wir Änderungen des Luftdrucks?
Darüber hinaus bieten die im LB enthaltenen Experimente und Aufgaben eine gute Auswahl zu interessanten Problemen.
Tafelbild
Der Luftdruck
Der Luftdruck kommt durch die Gewichtskraft der Luft zustande.
Der Luftdruck verringert sich mit zunehmender Höhe.
Der normale Luftdruck in Meereshöhe
beträgt:
1013 hPa
101,3 kPa
760 Torr
10,33 m Wassersäule
p
in hPa
1000
800
600
400
200
4
8
12
16
20 h in km
Aufgrund von Wetteränderungen ändert sich auch der Luftdruck meist zwischen
970 hPa (Tief) und hPa (Hoch).
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Der Druck
gibt an, mit welcher Kraft ein Körper senkrecht auf eine bestimmte Fläche
wirkt:
F
p = ----
A
Gase
F=p·A
Flüssigkeiten
feste Körper
Im Gas herrscht ein
bestimmter Druck.
In der Flüssigkeit
Ein fester Körper übt
herrscht ein bestimmter auf einen anderen KörDruck.
per einen Druck aus.
Der Druck ist überall
gleich groß.
Der Druck breitet sich
gleichmäßig und allseitig aus.
Der Druck ist überall
Der Druck tritt nur bei
gleich groß.
der Fläche auf, auf die
Der Druck breitet sich die Kraft wirkt.
gleichmäßig und allseitig aus.
Die Gasteilchen bewegen sich frei im zur Verfügung stehenden
Raum.
Bei ihrer Bewegung
prallen die Gasteilchen
auf Flächen (Kolben,
Wandung) und üben
dadurch auf diese
Kräfte aus.
Die Flüssigkeitsteilchen
liegen direkt beieinander und sind gegeneinander verschiebbar.
Bei Krafteinwirkung
durch einen Kolben
üben die Teilchen auf
alle Nachbarteilchen
Kräfte aus.
Die Teilchen des festen
Körpers schwingen um
einen festen Platz hin
und her.
Eine Kraft wird nur in
Richtung ihrer Einwirkung auf die Nachbarteilchen übertragen.
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
21
Arbeitsblatt
Auflagedruck und Kolbendruck
1. Vergleiche für die drei Fälle den Auflagedruck und ergänze die Sätze!
a) Die Druckkraft ist in allen drei Fällen gleich groß.
p1
p2
p
p
p3
p
Bei gleicher ......................................................... ist der Auflagedruck umso größer, je
...........................................................................................................................................
b) Die Auflagefläche ist in allen drei Fällen gleich groß.
p2
p1
p
p
p3
p
Bei gleicher ..................................................... ist der Auflagedruck umso größer, je
...................................................................................................................................
2. Vergleiche jeweils Flächen und Kräfte! Begründe deine Aussagen!
a)
b)
F1
A1
F1
A1
A2
A1
A2
F2
F1
F2
A1
A2
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F2
A2
F1
F2
22
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Hydraulische Hebebühne
Ölvorrat
Pumpkolben
Ventil 1
Arbeitskolben
Ventil 2
Rücklauf
Ventil
Hydraulische Backenbremse
Hauptbremszylinder
Pumpkolben
Bremsflüssigkeit
Bremsschlauch
Bremsbelag
Bremspedal
Bremsbacke
Bremskolben
Rad
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
Arbeitsblatt
Der Schweredruck in Flüssigkeiten
1.
Im Diagramm ist der Zusammenhang zwischen dem Schweredruck des Wassers
und der Eintauchtiefe dargestellt.
a) Interpretiere dieses Diagramm!
b) In welcher Tiefe ist der Schweredruck des Wassers gleich dem Druck in einem
Pkw-Reifen (180 kPa = 1,8 bar)?
c) Welcher Druck wirkt beim Tauchen in 2 m Tiefe auf das Trommelfell?
2.
Die Skizze zeigt das Profil einer Staumauer.
a) Ergänze maßstabgerecht die Kräfte auf die Staumauer in unterschiedlicher
Tiefe!
b) Durch Abbaggern im Uferbereich erhöht sich bei gleicher Wasserhöhe das Fassungsvermögen der Talsperre. Wie verändern sich dadurch die Kräfte, die auf
die Staumauer wirken? Begründe!
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24
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Der Luftdruck
1.
Der normale Luftdruck beträgt in Meereshöhe 1013 hPa.
Gib ihn in zwei anderen Einheiten an!
2.
Nachfolgend sind Beispiele für das Wirken des Luftdrucks dargestellt. Zeichne die
Kräfte ein, die aufgrund des Luftdrucks wirken!
a) Glas mit Wasser
Karteikarte
3.
b) Konservenglas
c) Saugfuß
Wasser
Die Skizze zeigt den Aufbau einer Saugpumpe.
a) Beschreibe ihre Wirkungsweise!
Zylinder
Ventile
Steigrohr
Wasser im Brunnen
b) Aus welcher maximalen Tiefe kann man Wasser heraufpumpen?
Begründe deine Aussage!
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Lernbereich 1: Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
25
Kopiervorlage
Sinken, Schweben, Steigen, Schwimmen
Sinken
Schweben
Steigen
Schwimmen
Ein Boot steigt in Ein Schiff
Ein Stein sinkt im Ein Taucher
schwebt in einer Richtung Wasschwimmt auf
Wasser nach
bestimmten Tiefe. seroberfläche.
dem Wasser.
unten.
FA
FA
FA
FA
FG
FG
FG
F =F
F <F
A
r
Flüssigkeit
A
G
<r
Körper
r
Flüssigkeit
FG
F =F
Ein Teil des Körpers befindet sich
außerhalb des
Wassers.
F >F
G
A
=r
Körper
r
Flüssigkeit
A
G
>r
Körper
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r
Flüssigkeit
G
>r
Körper
26
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.2 Lernbereich 2: Thermische Energie
4.2.1 Thermische Energie und Wärme
Bei der Behandlung der Temperatur kann auf den
Lernbereich 3 aus der Klasse 6 aufgebaut werden.
Unter Einbeziehung der Teilchenbewegung geht es
um eine Vertiefung des Temperaturbegriffs. Mit der
Einführung des absoluten Nullpunktes lernen die
Schüler die Kelvinskala und die Beziehungen zur
Celsiusskala kennen.
Zunächst muss für die Schüler nachvollziehbar eine
Beziehung zwischen Temperatur und Teilchenbewegung hergestellt werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:
– Die Demonstration der brownschen Bewegung
ist ein Beleg dafür, dass sich (unsichtbare) Teilchen bewegen, die zu einer Bewegung makroskopischer (beobachtbarer) Teilchen führt. Ein
Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung ist daraus allerdings nicht ableitbar.
– Bringt man ein paar Tropfen Tinte in jeweils ein
Becherglas mit kaltem bzw. heißem Wasser, so
kann man schon nach kurzer Zeit deutliche
Unterschiede beobachten: In dem heißen Wasser verteilt sich die Tinte wesentlich schneller als
in dem kalten Wasser. Eine Erklärung erfolgt
über die unterschiedlich schnelle Teilchenbewegung.
– Anschaulich verdeutlicht werden können die
Zusammenhänge zwischen Teilchenbewegung
und Durchmischung mit Modellexperimenten
auf dem Luftkissentisch. Bei geschickter Durchführung kann man auch unterschiedlich schnelle
Teilchenbewegungen erhalten und somit eine
unterschiedlich schnelle Durchmischung zeigen.
Für die Verdeutlichung der Zusammenhänge zwischen Celsiusskala und Kelvinskala eignet sich die
beiliegende Kopiervorlage.
Die Schüler sollten vor allem erfassen, dass die Festlegung der Fixpunkte von Temperaturskalen relativ
willkürlich ist.
Für den Einstieg in die Behandlung des Begriffs
Wärme gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:
1. Es wird bewusst an die Umgangssprache angeknüpft und anhand einfacher Beispiele (Erwärmung von Wasser in einem Teich durch die Sonnenstrahlung, Abkühlung heißen Wassers usw.)
mit den Schülern diskutiert, wie man Vorgänge
mit den Begriffen Energie und Wärme beschreiben kann.
2. Die Schüler werden aufgefordert, Beispiele für
die Verwendung des Wortes Wärme bzw. warm
zu nennen. Dabei sollte beachtet werden, dass
der Begriff Wärme mit sehr unterschiedlichen
Inhalten verwendet wird:
a) Wärme als Zustand im Sinne von Energie
Charakteristisch dafür sind Sätze wie „Die
Hauswand hat Wärme gespeichert“ oder „Die
Wärme, die in großen Wassermengen gespeichert ist, beeinflusst das Klima“.
Wärme wird hier als etwas aufgefasst, was ein
Körper hat.
b) Wärme als Zustand im Sinne von Temperatur
Vielfach genutzt werden solche Formulierungen wie „Mir ist warm“, „Morgen soll es 25 °C
warm werden“, „Ist das heute eine Wärme“
oder „Der Tee ist lauwarm“.
Damit wird in der Regel eine subjektive Empfindung beschrieben. Es wird das ausgedrückt,
wie ein Körper ist, wie man ihn empfindet
oder wie man sich fühlt.
c) Wärme als etwas, was von einem Körper auf
einen anderen Körper übergeht.
In Formulierungen wie „Der Ofen strahlt Wärme
ab“ oder „Die Sonne ist schon ganz schön warm“
wird die Auffassung von Wärme als etwas deutlich, was einen Vorgang kennzeichnet.
Es ist dringend davor zu warnen, diese vielfältigen umgangssprachlichen Formulierungen als
falsch zu bezeichnen. Es ist nicht die Aufgabe
des Physikunterrichts, die lebendige Umgangssprache der Schüler zu korrigieren und damit
einzuschränken. Vielmehr geht es darum, den
Schülern deutlich zu machen, dass in der Physik
der Begriff Wärme mit einem anderen, exakt
definierten Inhalt verwendet wird.
Diese Betrachtungen können also Ausgangspunkt für die Frage sein, was man in der Physik
unter Wärme versteht.
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Lernbereich 2: Thermische Energie
27
Kopiervorlage
Verschiedene Temperaturskalen
Celsiusskala
Kelvinskala
Fahrenheitskala
Reaumurskala
100 °C
373 K
212 °F
80 °R
0 °C
273 K
32 °F
0 °R
Tafelbild
Die Temperatur
Die Temperatur gibt an, wie heiß oder wie kalt ein Körper ist.
Sie wird in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) gemessen.
0 °C = 273 K
100 °C = 373 K
niedrige
Temperatur
geringe
Teilchenbewegung
hohe
Temperatur
heftigere
Teilchenbewegung
Je höher die Temperatur
eines Körpers ist, desto
schneller bewegen sich die
Teilchen des Stoffes, aus
dem der Körper besteht.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
3. Es wird nach einer Wiederholung des Energiebegriffs (Klasse 7) der Begriff der thermischen
Energie unter Nutzung des Teilchenmodells eingeführt (thermische Energie als Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers). Bezieht man den
vorher behandelten Zusammenhang zwischen
Temperatur und Teilchenbewegung mit ein, so
werden für die Schüler folgende Zusammenhänge leicht erfassbar:
niedrige
Temperatur
→
nicht so heftige Teilchenbewegung
→
kleine
thermische Energie
höhere
Temperatur
→
heftigere
Teilchenbewegung
→
größere
thermische Energie
Anhand eines einfachen Experiments (Becherglas
mit Wasser auf einer Heizplatte) kann anschließend
mit den Schülern diskutiert werden, was passiert,
wenn
– das Becherglas mit Wasser auf der nicht angeschalteten Heizplatte steht,
– das Becherglas auf der angeschalteten Heizplatte steht,
– das Becherglas mit heißem Wasser von der Heizplatte herunter genommen wird und sich dann
überlassen bleibt.
Die Schüler sollten die Möglichkeit erhalten, die Beschreibungen zunächst in der Umgangssprache vorzunehmen, ehe verdeutlicht wird, was man in der
Physik unter Wärme versteht.
Wichtig erscheint es für den nachfolgenden Unterricht, die Schüler nach Einführung der Begriffe an
bestimmte Standardformulierungen zu gewöhnen,
wie „Ein Körper besitzt Energie“ oder „ Ein Körper
hat Energie“.
„Wärme wird zugeführt oder abgegeben.“
Bei allen Bemühungen um saubere Terminologie ist
allerdings von Überspitzungen abzuraten. Eine
scharfe Unterscheidung zwischen Wärme und Energie ist nicht immer möglich und sinnvoll, insbesondere dann nicht, wenn man außerphysikalische Beispiele einbezieht (z. B. Körperwärme, warmes
Wasser). Darüber hinaus sind eine Reihe von Begriffsbildungen in der Physik historisch geprägt und
widersprechen den Konventionen.
Tafelbild
Thermische Energie und Wärme
Thermische Energie Etherm
Wärme Q
ist die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Temperatur Wärme an seine Umgebung abzugeben.
gibt an, wie viel thermische
Energie von einem Körper
auf einen anderen Körper
übertragen wird.
Q = ∆E therm
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Lernbereich 2: Thermische Energie
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Für die Einführung der Grundgleichung der Wärmelehre hat sich ein experimentelles Herangehen
bewährt, wobei die Zusammenhänge teilweise im
SE und teilweise im DE erarbeitet werden können.
Bei den experimentellen Untersuchungen sind die
Schüler darauf aufmerksam zu machen, welche
Größen jeweils konstant zu halten sind und welche
Größen geändert werden. Es ist deshalb sinnvoll,
vor Beginn der experimentellen Untersuchungen
mit den Schülern zu diskutieren, wovon die Temperaturänderung eines Körpers (einer Wassermenge)
abhängig sein könnte. Erst nach einem solchen
Schritt sind Untersuchungen einzelner Zusammenhänge zweckmäßig.
a) Für die Erarbeitung des Zusammenhang Q~∆T
empfiehlt sich ein SE.
b) Der Zusammenhang Q~m kann in einem DE verdeutlicht werden: Auf zwei gleiche Heizplatten
werden Bechergläser mit Wasser gestellt, wobei
sich die Massen wie 1 : 2 verhalten. Beim Becherglas mit der doppelten Menge Wasser ist die Zeit
für die gleiche Temperaturänderung und damit
auch die zugeführte Wärme etwa doppelt so groß.
c) Der Zusammenhang zwischen zugeführter Wärme
und Stoff kann im DE mit Wasser und Öl gleicher
Masse verdeutlicht werden: Um die gleiche Temperaturänderung zu erzielen, muss dem Wasser
mehr Wärme zugeführt werden als dem Öl.
Alle Zusammenhänge sind im TB zusammengestellt. Es sollte deutlich darauf aufmerksam gemacht werden, dass sie nur unter der Bedingung
„keine Aggregatzustandsänderung“ gelten. Für
Berechnungen bietet das LB ein Aufgabenangebot.
Dabei ist allerdings zu beachten, dass formale Berechnungen für die physikalische Bildung der Schüler wenig bringen. Deshalb sollte man sich auf Anwendungen konzentrieren, bei denen die
Zusammenhänge zwischen den Größen im Vordergrund stehen, z. B.:
– Warum speichert Wasser mehr Energie als
andere Flüssigkeiten?
– Warum nutzt man Wasser als Kühlflüssigkeit bei
Pkw?
– Welchen Einfluss haben große Wassermengen
(Seen, Meere) auf das Klima? Warum ist das so?
– Warum ist es sinnvoll, im Haushalt nur jeweils so
viel Wasser zu erhitzen, wie man tatsächlich
braucht?
Tafelbild
Grundgleichung der Wärmelehre
Zwischen der von einem Körper aufgenommenen oder abgegebenen Wärme, seiner
Masse und seiner Temperaturänderung bestehen folgende Zusammenhänge:
Q
Q
∆T
m
Q~m
Bedingung:
∆T = konstant
gleicher Stoff
Je größer die spezifische Wärmekapazität c des Stoffes ist, aus dem
ein Körper besteht, desto größer
ist die aufgenommene oder abgegebene Wärme.
Q ~ ∆T
Bedingung:
m = konstant
gleicher Stoff
Bedingung:
∆T = konstant
m = konstant
Q = m · c · ∆T
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.2.2 Thermische Energie und Aggregatzustandsänderungen
Die verschiedenen Aggregatzustände haben die
Schüler bereits in der Klasse 6 kennengelernt. Jetzt
geht es vorrangig um energetische Betrachtungen.
Für den Einstieg in den Inhaltsbereich Aggregatzustandsänderungen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:
a) Es wird angeknüpft an den Aufbau der Stoffe
aus Teilchen, wo die Schüler bereits Kenntnisse
über den Aufbau von festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen erworben haben. Nach einer Wiederholung der Gemeinsamkeiten (alle Stoffe
bestehen aus Teilchen) und der Unterschiede
(Packungsdichte, Kräfte zwischen den Teilchen,
Form- und Volumenverhalten) wird die Frage in
den Mittelpunkt gestellt, ob ein Stoff in verschiedenen Aggregatzuständen auftreten kann.
Für Wasser ist das den meisten Schülern geläufig, für andere Stoffe durchaus nicht.
b) Es wird vom Erfahrungsbereich der Schüler ausgegangen: Wasser ist meist flüssig. Wenn es kalt ist,
gefriert es und wird zu Eis. Wenn Wasser längere
Zeit auf dem Herd erwärmt wird, verdampft ein
Teil und ist dann als Wasserdampf in der Luft.
Stahl kann fest oder flüssig sein. Gibt es auch
gasförmigen Stahl? Luft ist gasförmig. Gibt es
auch flüssige Luft?
c) Es werden einfache Experimente an den Anfang
gestellt, z. B.: Wasser wird in einem Becherglas
zum Sieden gebracht. Über das Becherglas wird
eine Glasplatte gebracht, an der der Wasserdampf kondensiert. Wie gelangt das Wasser vom
Becherglas an die Glasplatte?
Ergebnis aller dieser Betrachtungen ist:
Stoffe können sich in drei verschiedenen Zuständen
befinden, die in der Physik als Aggregatzustände
bezeichnet werden.
Es bietet sich an, an dieser Stelle mit den Schülern
gemeinsam Beispiele aus Natur und Technik zu
suchen, wo Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen auftreten. In diesem Zusammenhang sollte
schon mit deutlich gemacht werden, dass zwischen
der Temperatur eines Stoffes und seinem Aggregatzustand ein Zusammenhang besteht (s. TB S. 31).
Im Zusammenhang mit der Behandlung der Aggregatzustandsänderungen ist es nicht nur sinnvoll,
sondern auch notwendig, den Schülern die Grenzen
der Umgangssprache und die Notwendigkeit der
Verwendung präziser Fachbegriffe und -wendungen plausibel zu machen und sie behutsam zum Gebrauch der Fachsprache anzuregen. Das gilt besonders für das recht unpräzise Benutzen der Begriffe
Erwärmen und Abkühlen:
In der Regel wird von Schülern Erwärmen (Wärmezufuhr) mit Temperaturerhöhung gleichgesetzt. Bei
den Aggregatzustandsänderungen spielt aber
gerade eine wichtige Rolle, dass Wärme zugeführt
wird und sich die Temperatur dabei nicht ändert.
Eine Möglichkeit, den Schülern die Unterschiede
bewusstzumachen, besteht in der Gegenüberstellung von Umgangssprache und Fachsprache, wie es
in der Übersicht (s. nächste Seite) dargestellt ist.
Zur Untersuchung des Schmelzens und Erstarrens
sowie des Siedens und Kondensierens bieten sich
verschiedene Experimente an, die zum größten Teil
auch als Schülerexperimente im Unterricht oder als
Hausexperimente durchgeführt werden können:
a) Es wird der Temperaturverlauf beim Schmelzen
und Erstarren von Stearin untersucht.
b) Es wird der Temperaturverlauf bei Wasser (bei
gleichmäßiger Wärmezufuhr) untersucht.
Dabei ist zweierlei zu beachten:
– Die Anordnungen müssen standsicher aufgebaut sein, da bei heißem Wasser Verbrühungsgefahr besteht.
– Als Siedetemperatur des Wassers ergibt sich
meist 96 °C bis 97 °C, damit also ein Widerspruch zu den üblichen Angaben von 100 °C.
Hier ist ein Hinweis darauf angebracht, dass sich
die Siedetemperatur von 100 °C auf reines Wasser (H2 O) unter Normalbedingungen bezieht.
c) Es wird der Temperaturverlauf beim Schmelzen
von Eis untersucht.
Dieses Experiment ist auch als Hausexperiment
geeignet. Dazu kann das beiliegende Arbeitsblatt genutzt werden. Die Auswertung sollte im
Unterricht erfolgen.
Aus den experimentellen Untersuchungen ergibt
sich: Sowohl beim Schmelzen als auch beim Sieden
bleibt die Temperatur trotz Zufuhr von Wärme konstant. Die Wärme wird zur Umwandlung in den
anderen Aggregatzustand benötigt. Es ist für viele
Schüler nur schwer einsehbar, dass diese Wärme
beim Kondensieren bzw. Erstarren wieder frei
wird.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Aggregatzustände
Körper können sich im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand befinden.
fest
flüssig
Eis, Stahl,
Gestein
gasförmig
Wasser, flüssige
Luft, flüssiger
Stahl, Magma
Wasserdampf,
Luft, gasförmiger Stahl
Die Temperatur nimmt zu.
Tafelbild
In der Umgangssprache sagt man:
ERWÄRMEN
ABKÜHLEN
Wie kann man das machen?
mit Heizplatten
mit Gasherd
mit Feuer
ins heiße Wasser setzen
in den Kühlschrank stellen
im Kalten stehenlassen
In der Physik sagt man:
Dem Körper
Wärme zuführen
entweder
Temperaturerhöhung
oder
Dem Körper
Wärme entziehen
Was verändert sich
am Körper?
fest → flüssig
flüssig → gasförmig
entweder
Temperaturverringerung
oder
flüssig → fest
gasförmig → flüssig
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Untersuche den Temperaturverlauf beim Schmelzen von Eis!
Vorbereitung:
– Stelle im Tiefkühlfach des Kühlschranks Eiswürfel her!
– Suche ein geeignetes Gefäß (große Tasse, Marmeladenglas) und ein Thermometer mit
einem Messbereich von –10 °C bis +20 °C (z. B. ein Kühlschrankthermometer)!
– Lege das Eis auf ein Geschirrtuch, zerschlage es in kleine Stücke, gib es in das Glas und
füge Wasser hinzu!
Durchführung:
– Miss die Temperatur des Wasser-Eis-Gemisches!
Rühre vorher gut um!
Trage den Wert bei t = 0 min in die Tabelle ein!
– Miss alle 2 Minuten die Temperatur! Rühre vorher stets gut um! Beende die Messungen, wenn
die Temperatur 10 °C erreicht hat!
– Der gesamte Vorgang verläuft schneller, wenn
du das Gefäß in ein zweites Gefäß mit warmem
Wasser stellst.
t in min
0
2
4
6
8
10
12
Thermometer
Wasser-EisGemisch
14
16
18
20
22
24
J in °C
Auswertung:
Trage die Messwerte in ein Temperatur-Zeit-Diagramm ein!
Beschreibe den Temperaturverlauf in Worten!
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Lernbereich 2: Thermische Energie
33
Tafelbild
Schmelzen und Erstarren
Es wird Wärme zugeführt (Schmelzwärme).
Schmelzen
fester Aggregatzustand
flüssiger Aggregatzustand
Erstarren
Es wird Wärme abgegeben (Erstarrungswärme).
Schmelzen und Erstarren erfolgt bei einer bestimmten Temperatur (Schmelztemperatur).
Während des Schmelzens und Erstarrens ändert sich die Temperatur nicht.
Schmelzwärme und Erstarrungswärme sind gleich groß.
Die wichtigsten Erkenntnisse sind in den Tafelbildern
zusammengefasst.
Zur Festigung bietet das LB zahlreiche Aufgaben.
Die Schwerpunkte können dabei unterschiedlich
gesetzt werden:
a) Es werden mit den Schülern ausführlich Erscheinungen erörtert, die ihren Erfahrungsbereich
tangieren:
Wenn man längere Zeit im Sommer im Wasser
war, dann erscheint die Luft manchmal recht
kühl, auch wenn das Thermometer 25 °C zeigt.
Wie kommt das?
b) Es werden Erscheinungen der Volumenänderung
bei Aggregatzustandsänderung in den Mittelpunkt gerückt:
Stearin wird zum Schmelzen gebracht und kühlt
dann langsam ab. Es bildet sich (wie auch bei
Kerzen) eine deutliche Mulde.
c) Es wird das Verdunsten von Flüssigkeiten
genauer untersucht, insbesondere die Abhängigkeit des Verdunstens von der Größe der
Oberfläche und von der Temperatur.
Für die Festigung kann auch das beiliegende
Arbeitsblatt genutzt werden.
Tafelbild
Sieden und Kondensieren
Es wird Wärme zugeführt (Verdampfungswärme).
Sieden
flüssiger Aggregatzustand
gasförmiger Aggregatzustand
Kondensieren
Es wird Wärme abgegeben (Kondensationswärme).
Sieden und Kondensieren erfolgt bei einer bestimmten Temperatur, der Siedetemperatur.
Während des Siedens und Kondensierens ändert sich die Temperatur nicht.
Verdampfungswärme und Kondensationswärme sind gleich groß.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
1.
Ergänze die Übersicht zu den Aggregatzuständen und ihren Änderungen!
Es wird Wärme zugeführt.
gasförmiger Aggregatzustand
Kondensieren
flüssiger Aggregatzustand
Schmelzen
fester Aggregatzustand
2.
Nenne Beispiele für Stoffe, die in Natur und Technik in verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen!
3.
Einem festen Körper wurde gleichmäßig Wärme zugeführt. Dabei erhielt man folgende Messwerte:
t in min
J in °C
0
20
2
50
4
90
6
140
8
160
10
180
a) Zeichne das Temperatur-Zeit-Diagramm!
b) Was kann man diesem Diagramm
entnehmen?
12
181
14
179
16
180
18
180
20
180
J in °C
200
160
120
80
40
4
8
12
16
20 t in min
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Lernbereich 2: Thermische Energie
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4.2.3 Übertragung von thermischer Energie
In Bezug auf die Arten der Übertragung von thermischer Energie sollte den Schülern zunächst an
einfachen Beispielen verdeutlicht werden, dass
diese Übertragung an vielen Stellen in Natur,
Technik und Alltag auftritt und bedeutet, dass
Wärme von einem (wärmeren) Körper auf einen
anderen (kälteren) Körper übergeht. Mögliche
Beispiele sind:
– Energieübertragung von der Sonne zur Erde,
– Energieübertragung vom Heizkraftwerk oder
vom Heizkessel zum Heizkörper im Zimmer,
– Energieübertragung von der Heizplatte auf
einen Kochtopf.
Zur Einführung eignen sich auch einfache Experimente.
Da die übertragene thermische Energie ∆Etherm
gleich der Wärme Q ist, wird in der Praxis auch von
Wärmeübertragung gesprochen. Die Beispiele sollten so ausgewählt werden, dass man an ihnen auch
die Begriffe Wärmeleitung, Wärmeströmung und
Wärmestrahlung einführen kann. Die Ergebnisse
der Beobachtungen sind im TB zusammengefasst.
Nachfolgend werden die einzelnen Möglichkeiten
der Wärmeübertragung genauer betrachtet, charakteristische Merkmale herausgearbeitet, Anwendungen besprochen und aufgezeigt, wo die betreffende Form der Wärmeübertragung erwünscht
bzw. unerwünscht ist.
Bei der Behandlung der Wärmeleitung wird der
Schwerpunkt auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Stoffen liegen. Es bieten sich dazu
viele einfache Experimente an, aus denen deutlich
wird, dass Metalle gut leiten, Kunststoffe und Luft
sowie alle Stoffe, die viel Luft enthalten (Glaswolle,
Styropor) dagegen schlechte Wärmeleiter sind.
Als Beispiele sind folgende Experimente genannt:
a) An Stäben aus verschiedenen Stoffen werden
mit Stearin in regelmäßigen Abständen kleine
Stahlkugeln befestigt. Die eine Seite der Stäbe
wird erwärmt, z. B. mit heißem Wasser bzw.
Wasserdampf (s. Skizze). Genutzt werden kann
auch das Gerät zur Demonstration der Wärmeleitfähigkeit.
siedendes
Wasser
Blechplatte
b) Stäbe aus verschiedenen Stoffen werden mit
einer Seite über siedendes Wasser auf einer Heizplatte oder über eine Flamme gehalten (Achtung:
Keine brennbaren Stoffe verwenden!). Die
andere Seite halten Schüler in der Hand.
c) Es wird Wasser im Reagenzglas zum Sieden
gebracht. Das Reagenzglas hält man in der
Hand.
d) Ein Schüler hält eine Münze in der Hand. Die
andere Seite wird vorsichtig mit einem Streichholz erwärmt (Vorsicht! Es besteht Verbrennungsgefahr!).
Im Ergebnis verschiedener Experimente ergibt sich: Es
gibt gute und schlechte Wärmeleiter. Quantitative
Vorstellungen dazu vermittelt die Tabelle im LB.
Bei der Wärmeströmung sollte der Schwerpunkt
auf der Richtung der Wärmeströmung und auf
Wärmeströmungen in Natur und Technik liegen.
Tafelbild
Energieübertragung durch Wärme
Wärme kann von Körpern höherer Temperatur auf Körper niedrigerer Temperatur
übertragen werden. Dafür gibt es folgende Möglichkeiten:
Wärmeleitung
Wärmeströmung
Wärmestrahlung
erfolgt durch einen
Stoff hindurch.
erfolgt mit Flüssigkeiten
oder Gasen.
erfolgt ohne Stoffe.
Lötkolben, Boden
eines Kochtopfes
Warmwasserheizung
Golfstrom
Strahlung der Sonne
Infrarotstrahler
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Zur Demonstration gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:
a) In ein rechteckiges, wassergefülltes Rohr wird
etwas Farbstoff gegeben. Die Richtung der Wärmeströmung ist gut zu beobachten.
b) Über eine Flamme oder eine Heizplatte wird
eine Papierspirale gehalten. Durch die aufsteigende warme Luft wird sie in Drehung versetzt.
c) Mit einer Kerzenflamme („Flammensonde“)
wird die Luftströmung an verschiedenen Stellen
eines Raumes untersucht. Besonders an undichten Fenstern und an Türen lassen sich überzeugende Effekte erzielen.
Auch hier empfiehlt es sich, mit den Schülern einige
Fragen zu diskutieren, die ihnen Zusammenhänge
zwischen alltäglichen Erfahrungen und physikalischen Erscheinungen bewusst machen, z. B.:
– Warum wählt man an heißen Sommertagen
bewusst helle Kleidung?
– Wie kommt es, dass sich die Luft in einem Auto
oder in einem Treibhaus bei Sonnenschein stark
erwärmt?
– Wieso wird die Tageshöchsttemperatur meist
nicht beim höchsten Sonnenstand, sondern erst
1–2 Stunden später erreicht?
– Warum sind Tankwagen meist hell lackiert?
Im anschließenden Unterrichtsgespräch sollten weitere Beispiele für Wärmeströmungen zusammengetragen werden. Beispiele sind großräumige Luftund Meeresströmungen, Warmwasserheizungen,
Luftströmungen im Zimmer, aber auch die Wärmeströmung bei einem Föhn, bei Heizgeräten mit Ventilator oder auch beim Betrieb von Weihnachtspyramiden.
Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Betrachtungen ist in der Kopiervorlage enthalten, die dem
Schüler auch als Zusammenfassung in die Hand gegeben werden kann.
Im Zusammenhang mit der Wärmestrahlung kann der
Lehrer auch auf die Strahlung der Sonne eingehen:
In Erdentfernung (149,6 Mio. Kilometer) beträgt
die Strahlungsleistung der Sonne 1,36 kW/m2 bei
senkrechtem Einfall. Zur Erdoberfläche gelangen
nur ca. 50%. Die Wärmestrahlung macht etwa 38%
der Gesamtstrahlung der Sonne aus.
Die Schüler können die Untersuchungen der Papierspirale und der Kerzenflamme auch zu Hause
durchführen. Wenn der Lehrer darauf orientiert, ist
nachdrücklich auf die Brandgefahr aufmerksam zu
machen. Die Schüler sollten auch darauf hingewiesen werden, dass solche Untersuchungen nur in
Anwesenheit Erwachsener durchzuführen sind.
Die Untersuchung der Wärmestrahlung kann im
Unterricht mithilfe eines Infrarotstrahlers erfolgen.
Dabei geht es vor allem um die Durchlässigkeit sowie das unterschiedliche Reflexions- und Absorptionsvermögen von Körpern. Es bieten sich folgende
Experimente an:
a) Zwischen Infrarotstrahler und Beobachter wird
zunächst eine Glasplatte, anschließend eine
Blech- oder Kunststoffplatte gebracht.
Ergebnis: Glas lässt Wärmestrahlung hindurch,
Blech oder Kunststoff nicht.
b) Vor den Infrarotstrahler wird eine glatte helle
Platte und eine mit schwarzem Papier beklebte
Platte gebracht. Die Temperaturen beider Platten werden (subjektiv) verglichen.
Ergebnis: Von den beiden Körpern wird unterschiedlich viel Wärme aufgenommen.
Analog kann man den Versuch auch mit zwei
Thermometern möglichst gleicher Bauart durchführen und kommt zum gleichen Ergebnis.
Die Schüler können auch zu einem Hausexperiment
angeregt werden: Stellt man eine helle und eine
dunkle Glasflasche ca. 30 Minuten in die Sonne,
kann man eine sehr unterschiedliche Erwärmung
feststellen.
Ein komplettes Beispiel für eine Wärmeübertragung ist die Warmwasserheizung. Im LB ist dieses
Beispiel ausführlich dargestellt.
Maßnahmen zur Wärmedämmung, also zur Verringerung der Wärmeübertragung, lassen sich am überzeugendsten am Beispiel eines Hauses verdeutlichen.
Dazu sollte dem Schüler zunächst bewusst gemacht
werden, welche Wärmeverluste bei einem Haus auftreten können (s. Kopiervorlage). Anschliessend
kann mit ihnen diskutiert werden, welche Möglichkeiten es gibt, die Wärmeübertragung zwischen
Haus und Umgebung zu verringern (s. Kopiervorlage). Dazu gibt es auch im LB Anregungen für projektorientierten Unterricht.
Die Schüler können auch dazu angeregt werden,
ein Hausexperiment zur Wärmedämmung durchzuführen. Dafür kann das beiliegende Arbeitsblatt
benutzt werden.
Für Gruppenarbeit und als Erkundungsaufgaben
eignen sich besonders die Themen:
1. Wärmeübertragung an Häusern
2. Bau eines Modellhauses, Untersuchung der
Außen- und Innentemperaturen bei verschiedenen Bedingungen
3. Wärmedämmung bei Menschen und Tieren (Einfluss der Art der Kleidung, des Fetts, des Haarkleides usw.)
4. Bau und Wirkungsweise eines Sonnenkollektors.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Energieübertragung durch Wärme
erfolgt durch wärmeleitende Stoffe hindurch.
Wärmeleitung
gute
Wärmeleiter
schlechte
Wärmeleiter
alle Metalle
(Silber, Kupfer,
Gold, Aluminium)
alle Gase und
Flüssigkeiten,
alle Nichtmetalle, Holz,
Kunststoffe
erfolgt mit strömenden
Stoffen.
Wärmeströmung
erfolgt in der Erdatmosphäre mit Luft,
in Gewässern und
Rohren mit Wasser.
erfolgt ohne Stoff.
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung kann
durchsichtige Stoffe
durchdringen. Sie wird
von Körpern teilweise
reflektiert, teilweise
absorbiert.
Die Art der Wärmeübertragung ist unerwünscht
z. B. zwischen Zimmern und
Umgebung durch die Wand
hindurch
z. B. zwischen einem kalten
und einem warmen Raum
z. B. bei einer
Glühlampe
Die Art der Wärmeübertragung wird genutzt oder tritt auf
z. B. bei Kochtöpfen,
beim Lötkolben
z. B. in Räumen, in der Atmosphäre, beim Golfstrom
z. B. bei der Sonnenstrahlung, bei Infrarotstrahlern
Die Wärmeübertragung kann verringert werden
durch Verwendung
schlechter Wärmeleiter
durch die Beseitigung
strömender Stoffe
(Vakuum) oder Verringerung der Strömung
durch Verwendung
reflektierender
Stoffe
(helle und glatte
Oberflächen)
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Lernbereich 2: Thermische Energie
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Kopiervorlage
Wärmeverluste bei einem Haus
20 % Abgase
15 % Dach
30 % Lüftung
25 % Wände
100 %
Heizkessel
10 % Keller und Boden
Möglichkeiten der Wärmedämmung
Verringerung der Wärmeleitung:
Wärmedämmstoffe, Isolierung des
Daches, Verringerung der Raumtemperatur, Einbau von Doppelfenstern,
Isolierung des Fußbodens
Verringerung der Wärmeströmung: Erhöhung der Dichtheit von Fenstern
und Türen, kurzes und intensives
Lüften, Einbau von Doppelfenstern
Verringerung der Wärmestrahlung: Einbau von Fenstern mit Wärmeisolierglas
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Lernbereich 2: Thermische Energie
4.2.4 Wärmekraftmaschinen
39
vergrößern, dass erhebliche Kräfte wirksam werden können.
Um das Wirkprinzip von Wärmekraftmaschinen zu
behandeln, werden zunächst an einfachen und für
die Schüler gut überschaubaren Beispielen die Energieumwandlungen verdeutlicht, die sich aus der
Änderung der thermischen Energie ergeben.
– Es wird Wasser erhitzt. Durch Wärmezufuhr vergrößert sich die thermische Energie. Wenn heißes Wasser Wärme abgibt, verkleinert sich seine
thermische Energie.
Der 1. Hauptsatz wird als Energieerhaltungssatz
formuliert.
Anschließend werden die erarbeiteten inhaltlichen
Zusammenhänge auf Wärmekraftmaschinen angewendet.
Den Schülern sollte bewusst werden, dass die
Zusammenhänge zwischen Wärmezufuhr bzw. abgabe, Änderung der thermischen Energie und
Änderung der mechanischen Energie in ihrer
Umwelt eine Rolle spielen.
Zur Erschließung der inhaltlichen Zusammenhänge
bieten sich u. a. folgende Möglichkeiten für die
Demonstration bzw. für die Diskussion an:
Die wichtigsten Zusammenhänge sind im TB zusammengestellt.
– Einem unten verschlossenen großen Kolbenprober wird Wärme zugeführt, indem man ihn z. B.
teilweise in warmes Wasser hält. Der Kolben
bewegt sich nach oben.
– Es wird das Modell einer Dampfmaschine
genutzt.
– Ein Luftballon wird über die Öffnung eines
Rundkolbens gezogen und die Luft im Rundkolben stark erwärmt, indem man den Rundkolben
auf eine Heizplatte stellt. Nach Herunternehmen
von der Heizplatte tritt allmählich der ursprüngliche Zustand ein.
– Wenn man eine Luftmatratze in der Sonne liegen lässt, dann erhöht sich die Temperatur in ihr
und damit auch die thermische Energie. Der
Druck in ihr steigt . Wenn man sie in kaltes Wasser bringt, dann verringert sich die Temperatur,
die thermische Energie ebenfalls. Der Druck in
ihr wird geringer.
– Bei schneller Fahrt erwärmen sich die Reifen
eines Pkw. Der Druck in ihnen steigt.
– Spraydosen sollen nicht über 50 °C erwärmt werden, weil sie sonst explodieren können. Wenn
also zu viel Wärme zugeführt wird, kann sich die
thermische Energie und damit der Druck so stark
Zu den Wärmekraftmaschinen zählen neben
Dampfmaschine, Dieselmotor und Ottomotor auch
die Dampfturbine, Wärmepumpen und Kühlschränke, Gasturbinen und Strahltriebwerke. Einbezogen werden kann auch der Stirlingmotor.
Die Behandlung der Dampfmaschine ist vor allem
aus historischer Sicht von Interesse. Besonders interessant ist es für Schüler, wenn man den grundsätzlichen Aufbau und die Wirkungsweise an einem
Funktionsmodell erläutern kann. Dabei sollte der
Zusammenhang zu den vorher behandelten Zusammenhängen deutlich werden. Durch Zufuhr von
Wärme besitzt der Dampf eine große Energie. Diese
Energie wird umgesetzt in Bewegung des Kolbens
(mechanische Energie). Dadurch verringert sich die
Energie des Dampfes.
Bei den Verbrennungsmotoren gibt es zahlreiche
unterschiedliche Modelle, an denen man den Aufbau
und die Wirkungsweise von Ottomotor und von Dieselmotor darstellen kann. Dabei sollten die Schüler
zumindest darauf aufmerksam gemacht werden, dass
die historische Bezeichnung „Ansaugtakt“ mit den
heutigen technischen Realisierungen nur noch wenig
zu tun hat, da bei modernen Motoren der Kraftstoff
über eine Hochdruckpumpe eingespritzt wird.
Für die Festigung bieten das LB und das AH ein Aufgabenangebot. Genutzt werden kann auch das beiliegende Arbeitsblatt.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
Zusammenhänge zwischen Wärme und thermischer Energie
Zufuhr von Wärme kann führen zu
Erhöhung der
thermischen Energie
Umwandlung in
mechanische Energie
Erhöhung der thermischen
Energie und Umwandlung
in mechanische Energie
Erwärmung des Gases
in einer Gasflasche
Bewegung eines Kolbens
in einem Motor
Luftmatratze in
der Sonne
Bei einem Vorgang wird Energie von einer Form in andere Formen umgewandelt. Die
Gesamtenergie bleibt gleich.
Zur Behandlung der Energiebilanz und des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen kann die
beiliegende Kopiervorlage genutzt werden. Dabei
sollte der Lehrer beachten, dass gerade die Aussagen zum Wirkungsgrad von Pkw-Motoren recht
unterschiedlich sind. Zweierlei ist dabei zu berücksichtigen:
a) Der Wirkungsgrad von Pkw-Motoren liegt in der
Regel unter 25 %. Wirkungsgrade von Ottooder Dieselmotoren von über 30 % sind möglich,
beziehen sich dann aber zumeist auf spezielle
Großanlagen.
b) Man sollte mit den Schülern diskutieren, was bei
einem Pkw alles als nutzbringende Energie zu
betrachten ist.
Es gehört nicht nur die Bewegungsenergie des
Autos dazu, sondern mindestens noch die Energie, die zum Betrieb elektrischer Anlagen erforderlich ist. Im Winter ist auch die Energie zuzurechnen, die für die Heizung des Innenraumes
notwendig ist. Das bedeutet: Der Wirkungsgrad
ist bei einem Pkw unterschiedlich und von den
jeweiligen Bedingungen abhängig.
Beim Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist in
der Kopiervorlage der Wirkungsgrad der Wärmepumpe von 130 % kein Schreibfehler. Es ist der
sogenannte Primärenergienutzungsgrad einer Wärmepumpe, also das Verhältnis der von der Wärmepumpe bereitgestellten Nutzenergie zu der notwendigen Primärenergie, die für den Betrieb der Anlage
aufgewendet werden muss.
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Lernbereich 2: Thermische Energie
41
Arbeitsblatt
Wärme und thermische Energie
1.
Einer abgeschlossenen Gasmenge, die
sich in einer Gasflasche befindet, wird
Wärme zugeführt. Beschreibe die Vorgänge mit den Begriffen Wärme und
thermische Energie!
Q
2.
Q
In einem Gefäß mit einem beweglichen
Kolben befindet sich ein Gas. Diesem Gas
wird Wärme zugeführt. Beschreibe die
Vorgänge!
Q
3.
Mit einer Luftpumpe wird schnell Luft
auf einen Reifen gepumpt. Dabei merkt
man, dass sich die Luftpumpe erwärmt.
Beschreibe die Vorgänge!
F
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Energiebilanz und Wirkungsgrad bei Wärmekraftmaschinen
Energiebilanz eines Pkw
Energie im Benzin
(100 %)
Energiebilanz einer Dampfmaschine
Energie der Kohle
(100 %)
Abgase 35 %
Abwärme 75 %
Kühlwasser 30 %
Motorwärme 8 %
Reibung 15 %
Autoelektrik 3 %
Reibung 6 %
18 % Bewegung
10 % mechanische Arbeit
Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen
Gerät, Anlage
Wirkungsgrad
Dampfmaschine von JAMES WATT
3%
Dampflokomotive
10 %
Ottomotor bei Pkw
20 %
Dieselmotor bei Pkw
25 %
Dampfturbine
45 %
Ölofen für Heizanlage
65 %
Wärmepumpe
(Primärenergienutzungsgrad)
130 %
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Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
4.3 Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
4.3.1 Elektrischer Widerstand
Zu Beginn der Behandlung empfiehlt sich eine
gründliche Wiederholung der Begriffe und Gesetze,
die in Klasse 7 behandelt worden sind. Diese Wiederholung sollte auch mit Experimenten verbunden
werden, in denen die wichtigsten Zusammenhänge
noch einmal deutlich werden.
Gut eignet sich dazu aufgrund der guten Sichtbarkeit für aller Schüler das Tafelschaltgerät, mit dem
man z. B. demonstrieren kann:
– Es fließt nur dann ein Strom, wenn eine elektrische Quelle vorhanden ist und der Stromkreis
geschlossen ist.
– Im unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke
überall gleich. Die Spannung verteilt sich auf die
vorhandenen Widerstände.
– Im verzweigten Stromkreis ist die Spannung in
jedem Zweig gleich groß. Die Stromstärke verteilt sich auf die einzelnen Zweige.
43
Stärke des Antriebs (Spannung) genutzt, die erforderlich ist, um einen Strom bestimmter Stärke zu
gewährleisten. Wichtige Erkenntnisse sind im Tafelbild zusammengefasst.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, in einer
didaktischen Folge mit Experimenten zum Widerstandsbegriff zu gelangen. In der Unterrichtspraxis
bewährt hat sich dabei folgendes Herangehen, das
auch wiederholende Elemente enthält:
(1) Wiederholung zum einfachen Stromkreis sowie
zu den Begriffen Stromstärke und Spannung
Die Schüler bauen einen einfachen Stromkreis auf
(als SE oder Schülerdemonstrationsexperiment oder
beides parallel). Die Schaltpunkte für die elektrischen Bauelemente A und B sollten mit Stielklemmen o. Ä. besonders hervorgehoben werden. Als
Bauelement soll zunächst eines verwendet werden,
das eine deutlich wahrnehmbare Wirkung hat
(Glühlampe, Hupe). Wiederholt werden das Zeichnen von Schaltplänen, Schaltzeichen und die
Bestandteile eines einfachen Stromkreises.
Ein Unterrichtsschwerpunkt besteht in der Einführung des Widerstandsbegriffs. Dabei gibt es unterschiedliche Varianten der Einführung.
Eine Möglichkeit besteht darin, von dem Modell
der Elektronenleitung auszugehen, das die Schüler
bereits kennen.
Die Behinderung der Bewegung von Elektronen
durch die Metall-Ionen wird als Widerstand bezeichnet. Zur quantitativen Erfassung wird die
Tafelbild
Der elektrische Widerstand
In einem metallischen Leiter wird die Bewegung der Elektronen behindert
Æ elektrischer Widerstand
Der elektrische Widerstand gibt an, wie stark die Behinderung des Stromes in einem Leiter ist.
Einheiten: 1 Ω (1 Ohm)
U
1 kΩ = 1000 Ω
R = ---I
1 MΩ =1000 kΩ = 1000 000 Ω
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Wiederholt werden auch:
Stromfluss als gerichtete Bewegung von Elektronen, Spannung zur Kennzeichnung des Antriebs für
den elektrischen Strom, Größen U und I, deren Formelzeichen, Einheiten und Messgeräteschaltungen.
Es folgen Ableseübungen und Festigung der Messwertermittlung bei Vielfachmessgeräten (Vorleistung für weitere Schülerexperimente).
(2) Begriff elektrischer Widerstand
Die folgenden Experimente werden als DE weitergeführt.
Zwischen den Klemmen A und B werden nacheinander verschiedene Bauelemente (Konstantandraht, Spule mit 1000 Windungen, Festwiderstand
51 Ω) in Reihe geschaltet. Die Spannung wird jeweils auf 6 V nachgeregelt und es wird die jeweilige
Stromstärke gemessen.
Schlussfolgerungen:
Leiter (elektrische Geräte) haben die Eigenschaft,
den Stromfluss zu schwächen, zu behindern, ihm
einen Widerstand entgegenzusetzen. Diese Eigenschaft der Leiter bezeichnet man als elektrischen
Widerstand.
Die verwendeten Bauelemente werden nun nacheinander einzeln zwischen die Klemmen A und B geschaltet. Die Spannung wird jeweils auf 6 V nachgeregelt.
Schlussfolgerungen:
Die Leiter (elektrische Geräte) behindern den Strom
unterschiedlich stark. Jeder Leiter (elektrisches
Gerät) hat einen bestimmten Widerstand. Die
Widerstände der Leiter können unterschiedlich sein.
Die verwendeten Bauelemente werden erneut zwischen die Klemmen A und B geschaltet. Dabei wird
aber jetzt die Spannung so eingeregelt, dass die
Stromstärke jeweils konstant ist (I ª 0,1 A). Die
Spannung wird gemessen.
Schlussfolgerungen:
Wegen der unterschiedlichen Widerstände sind
auch unterschiedliche Spannungen („Antriebe“)
erforderlich, um eine gleiche Stromstärke zu erreichen.
(3) Erarbeitung ohmsches Gesetz
Für ein Bauelement werden Spannung und Stromstärke gemessen. Die Messwerte werden in einem IU-Diagramm dargestellt.
Die Ergebnisse sind im TB beispielhaft dargestellt.
Schlussfolgerungen:
Bei einem Bauelement ist die Stromstärke umso
größer, je größer die anliegende Spannung ist. Für
ein Bauelement ist der Quotient U/I konstant.
(4) Einführen der Größe elektrischer Widerstand
Es werden die Quotienten U/I für alle drei Bauelemente berechnet und verglichen.
Schlussfolgerungen:
Das elektrische Gerät, das im Stromkreis den größten Widerstand bildet, hat auch den größten Quotienten. Deshalb kann man diesen Quotienten als
Maß für den elektrischen Widerstand eines Leiters
verwenden und festlegen:
elektrische Spannung
elektrischer Widerstand = ---------------------------------------------------------elektrische Stromstärke
---R= U
I
(5) Selbstständiges Ermitteln des elektrischen Widerstandes
Die Schüler bestimmen im SE selbstständig den
elektrischen Widerstand eines Bauelements.
Das Anforderungsniveau an die Schüler kann dabei
durch die Art der Vorgaben variiert werden.
(6) Bauelemente mit veränderlichem Widerstand
Der elektrische Widerstand einer Glühlampe wird
bestimmt, wenn diese noch nicht glüht, aber Strom
fließt (Kaltwiderstand). Danach wird der Widerstand bei Betriebsspannung ermittelt und die beiden Widerstandswerte werden verglichen.
Schlussfolgerungen:
Es gibt Bauelemente, die nur unter bestimmten
Bedingungen (Temperatur, Licht, Spannung, Stromrichtung) einen bestimmten Widerstand haben.
Ändern sich diese Bedingungen, dann ändert sich
auch der Widerstand. Auf diese Bauelemente wird
in späterem Unterricht eingegangen.
Ein zweiter Unterrichtsschwerpunkt besteht darin,
die Abhängigkeiten des Widerstands eines Drahtes
von seiner Länge, seiner Querschnittsfläche und
dem Stoff, aus dem er besteht, nachzuweisen und
zum Widerstandsgesetz zusammenzufassen.
Bei der Untersuchung der Abhängigkeiten hat sich
ein experimentelles Vorgehen bewährt, wobei die
Teilexperimente teilweise als SE und teilweise als DE
durchgeführt werden können:
a) Die Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen R und l lassen sich gut realisieren, wenn
man 1, 2, 3, 4, 5 Widerstände von 100 Ω in Reihe
schaltet und den jeweiligen Widerstand direkt
oder indirekt bestimmt. Da auf den einzelnen
Widerständen die Länge des Drahtes nicht aufgedruckt ist, kann man mit Längeneinheiten (LE)
arbeiten: 1 Widerstand hat 1 LE, 2 Widerstände
in Reihe 2 LE usw.
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Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
45
Tafelbild
Das ohmsche Gesetz
Schaltplan
Messwerte
A
U in V
2,9
I in A
0,057 0,099 0,160 0,196 0,235
V
U V
---- in ---I
A
50,9
5,0
50,5
8,1
50,6
10,1
51,5
11,9
50,6
Aus dem Diagramm ist ablesbar:
Es gilt näherungsweise I ~ U.
I in A
0,20
0,15
Aus der Messwertetabelle ist ablesbar:
Der Quotient aus U und I ist näherungsweise konstant.
0,10
0,05
0
0
2
4
6
8
10
12
U in V
Für metallische Leiter gilt bei J = konstant das ohmsche Gesetz:
I ~ U oder U/I = konstant
b) Der Zusammenhang zwischen R und A kann in
analoger Weise mithilfe der Drahtwiderstände
von 100 Ω in Parallelschaltung gezeigt werden.
Es werden 1 Widerstand, 2 Widerstände usw. in
den Stromkreis geschaltet und jeweils der
Gesamtwiderstand bestimmt. Die entsprechenden Flächen verhalten sich dann wie 1 : 2 : 3 : ….
Sie können in Flächeneinheiten (FE) angegeben
werden.
c) Der Zusammenhang zwischen Widerstand und
Stoff wird mithilfe von drei verschiedenen
Drahtwiderständen (Kupfer, Eisen, Konstantan)
gezeigt.
Eine Zusammenfassung der Teilergebnisse führt
zum Widerstandsgesetz (s. Kopiervorlage). Zur Festigung kann auch das Arbeitsblatt genutzt werden.
Bei der Behandlung von regelbaren Widerständen
können unterschiedliche Varianten gewählt werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Reihenschaltung eines Festwiderstandes und eines stellbaren
Widerstandes zu betrachten. Dies lässt sich auch gut
experimentell realisieren, indem man z. B. die Spannung am stellbaren Widerstand in Abhängigkeit
von der Größe dieses Widerstandes ermittelt.
A
V
Eine andere Möglichkeit besteht in der Behandlung
der Potenziometerschaltung, wobei wegen der Linearität des Spannungsverlaufs eine Konzentration auf
das unbelastete Potenziometer erfolgen sollte.
V
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Drahtes von
dessen Länge und Querschnittsfläche
Aufgaben:
1. Untersuche die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Drahtes von
dessen Länge!
2. Untersuche die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Drahtes von
dessen Querschnittsfläche!
Vorbereitung:
1. Zeichne einen Schaltplan für die
Durchführung der betreffenden
Messungen!
2. Überlege, welche Größen jeweils
konstant gehalten und welche verändert werden müssen!
Durchführung:
Führe die Untersuchungen durch! Drähte unterschiedlicher Länge erhältst du durch
Hintereinanderhalten von Widerständen. Leiter unterschiedlicher Querschnittsfläche
erhältst du durch Parallelschalten von Widerständen.
Auswertung:
Widerstand und Länge
Widerstand und Querschnittsfläche
l in LE
A in FE
U in V
U in V
I in A
I in A
R in Ω
R in Ω
Ergebnis:
Ergebnis:
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Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
Kopiervorlage
Das Widerstandsgesetz
Der Widerstand eines metallischen Leiters ist abhängig
– von der Länge des Leiters,
– von der Querschnittsfläche des Leiters,
– vom Stoff, aus dem der Leiter besteht.
R
Je größer die Länge eines Leiters ist,
desto größer ist sein Widerstand:
R~l
Bedingungen:
Querschnittsfläche A = konstant,
gleicher Stoff
l
R
Je größer die Querschnittsfläche eines
Leiters ist, desto kleiner ist sein Widerstand:
1
R ~ ---A
Bedingungen:
Länge l = konstant,
gleicher Stoff
A
R
Der Widerstand ist vom Stoff abhängig.
Je größer der spezifische elektrische
Widerstand des Stoffes ist, aus dem ein
Leiter besteht, desto größer ist der
Widerstand.
Bedingungen:
Länge l = konstant,
Querschnittsfläche A = konstant
Kupfer
Eisen
Konstantan
l
R = r ⋅ ---A
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Arbeitsblatt
Der elektrische Widerstand metallischer Leiter
1. Die Skizze zeigt den Aufbau eines metallischen Leiters. Erkläre mit dem Modell der
Elektronenleitung das Zustandekommen des elektrischen Widerstandes beim Fließen eines Stromes!
2. Der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters soll experimentell bestimmt
werden.
a) Zeichne eine Schaltskizze!
b) Wie kann man den Widerstand des
Metalldrahtes ermitteln?
3. Vergleiche jeweils die elektrischen Widerstände der drei Leiter!
a) gleicher Stoff und gleiche Länge
R2
R1
R3
b) gleicher Stoff und gleiche Querschnittsfläche
R1
R2
R3
c) gleiche Länge und gleiche Querschnittsfläche
R1
R2
Eisen
Konstantan
R3
Kupfer
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Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente
4.3.2 Elektrische Energie und elektrische Leistung
Die zu erreichenden Unterrichtsziele könnten darin
bestehen, dass die Schüler
– die Abhängigkeiten der elektrischen Leistung
eines Gerätes kennen,
– die Einsicht gewinnen, dass die gesamte elektrische Energie im Haushalt bezahlt werden muss
sowie
– die elektrische Leistung von Elektrogeräten
bestimmen und die Leistungsangaben von Elektrogeräten deuten können.
Bei der Behandlung der elektrischen Energie und
Leistung wird von Beobachtungen und Erfahrungen der Schüler ausgegangen. Die Schüler erkennen anhand von Experimenten, dass die „Wirksamkeit“ eines Gerätes wesentlich von Spannung und
Stromstärke für den Betrieb des Gerätes abhängig
ist (P = U · I) und dass umso mehr elektrische Energie umgewandelt wird, je länger das Gerät in Betrieb ist (Eel = U · I · t).
Um die Zusammenhänge zu verdeutlichen, ist folgende Experimentierfolge zweckmäßig:
Zunächst wird die Helligkeit von Glühlampen ähnlicher Bauart (Metallfadenlampen), also eine Wirkung des elektrischen Stromes, untersucht. Dann
wird zur Kennzeichnung die Größe elektrische Leistung eingeführt und ihr Zusammenhang mit Stromstärke und Spannung hergestellt.
1. Abhängigkeit der Helligkeit von Glühlampen
von der Stromstärke:
49
2. Abhängigkeit der Helligkeit von Glühlampen
von der Spannung:
230 V
230 V / 100 W
6 V / 0,4 A
V
V
U1
U2
Bei Reihenschaltung ist I = konstant.
Bei gleicher Stromstärke leuchtet die Lampe heller, an der eine höhere Spannung anliegt.
3. Zusammenfassung
Die Helligkeit einer Glühlampe ist umso größer,
je größer die Spannung und je größer die Stromstärke sind. Die Wirksamkeit eines elektrischen
Gerätes, hier die Helligkeit einer Glühlampe,
kann mit der Größe elektrische Leistung
beschrieben werden:
P=U·I
Daran sollte sich eine Interpretation der Gleichung
und ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnisse anschließen.
Wenn die Gleichung für die Leistung theoretisch
aus der Definition P = Eel /t hergeleitet wurde, dann
können die beschriebenen Experimente als Bestätigungsexperimente eingesetzt werden.
Im Zusammenhang mit der elektrischen Leistung
sollen die Schüler die Fähigkeit erlangen, Entscheidungen über die Anschlussmöglichkeiten von Geräten an das Wohnungsnetz zu treffen.
6V–
6 V / 0,4 A
A
6 V / 0,1 A
A
Bei Parallelschaltung ist U = konstant.
Bei gleicher Spannung leuchtet die Lampe heller,
durch die ein Strom mit größerer Stromstärke
fließt.
Im Zusammenhang mit der genutzten elektrischen
Energie sollen die Schüler die Fähigkeit erlangen,
die Betriebskosten im Haushalt nachzuprüfen und
Entscheidungen zu ihrer Beeinflussung zu treffen.
Für eine Zusammenfassung kann die beiliegende
Kopiervorlage genutzt werden.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Kopiervorlage
Elektrische Energie und Leistung
Die elektrische Energie, die in einem Gerät umgewandelt wird, ist
abhängig von der anliegenden Spannung, der Stromstärke im Gerät
und der Einschaltdauer des Gerätes.
Die elektrische Energie E ist umso
größer,
– je größer die am Gerät anliegende
Spannung U ist,
– je größer die Stromstärke I im
Gerät ist,
– je länger die Zeit ist, die sich das
Gerät in Betrieb befindet.
t
Gerät
I
A
V
U
E=U·I·t
Die elektrische Leistung P ist umso
größer,
– je größer die am Gerät anliegende
Spannung U ist,
– je größer die Stromstärke I im
Gerät ist.
Gerät
I
A
V
U
P=U·I
Die elektrische Leistung eines Gerätes gibt an, wie viel elektrische Energie
in jeder Sekunde in andere Energieformen (thermische Energie, Strahlungsenergie, mechanische Energie) umgewandelt wird.
E
P = --t
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Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches
51
5 Hinweise zu den Experimenten
des Lehrbuches
6. In ein U-Rohr wird Wasser gefüllt. Die Flüssigkeitssäulen stehen in beiden Schenkeln gleich hoch, weil sich die Schweredrücke beider Seiten ausgleichen. Die Höhe der Flüssigkeitssäule wird markiert. Die Markierung entspricht dem Druck
null. Da eine Wassersäule von 10 cm Länge einen Schweredruck von 1 kPa erzeugt, können im Abstand von 1 cm weitere Markierungen angebracht werden. Ihr Abstand entspricht einem Druck von 100 Pa. Mit zunehmender
Erwärmung erhöht sich der Gasdruck in dem Gefäß. Er kann
an der Skalierung abgelesen werden.
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
Druck und seine Wirkungen (LB S. 32 - 33)
1. Das Experiment kann als ein Hausexperiment durchgeführt
werden. Besonders wichtig ist die Begründung, warum die
Steighöhe ein indirektes Maß für die Änderung des Schweredrucks ist. Die Schüler müssen erkennen, dass in verschiedenen Tiefen die darüber liegende Wassersäule unterschiedlich
stark auf den wassergefüllten Luftballon drückt. Das Wasser
im Luftballon wird mehr oder weniger nach oben gedrückt.
Deshalb steigt das Wasser im Steigrohr höher, je tiefer die
Anordnung in das Wasser des Gefäßes eintaucht.
2. Dieser Selbstbau ist recht einfach und kann auch zu Hause
durchgeführt werden. Die Schüler erkennen, dass der Schweredruck in Wasser von der Höhe der Flüssigkeitssäule
abhängt. Da die Höhe der Flüssigkeitssäule in Höhe der
untersten Öffnung am größten ist, ist an dieser Stelle auch
der Schweredruck im Vergleich der beiden anderen Öffnungen am größten, und das Wasser tritt unter einem größeren
Druck aus.
3. Das Experiment eignet sich sowohl als Überraschungsexperiment als auch als Hausexperiment. Die Schüler weisen nach,
dass das Wasser nach dem Umdrehen des Gefäßes nicht ausläuft. Die Postkarte dichtet das Gefäß ab. Das passiert, weil der
äußere Luftdruck größer als der Druck der über der Postkarte
liegenden Flüssigkeitssäule ist. Der äußere Luftdruck presst die
Karte gegen das Glas und das Wasser verbleibt im Gefäß.
4. Das Experiment ist sehr ausführlich beschrieben, weil es sehr
komplex ist. Da es sich um mehrere verschiedene Kräfte handelt, ist auf eine sorgfältige Bezeichnung der Kräfte zu achten. Bereits in der Vorbereitung sollten die Schüler wiederholen, wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit
ermittelt werden kann:
– Messen der Masse des verdrängten Wassers und des Behälters mit einer Waage, subtrahieren der Masse des Gefäßes,
umrechnen nach dem Schema: 100 g entsprechen einer
Gewichtskraft von 1 N.
– Messen des Volumens des verdrängten Wassers, z. B. in ml,
umrechnen in cm3, ermitteln der Masse nach dem Ansatz:
1 cm3 Wasser hat eine Masse von 1 g; 100 g entsprechen
einer Gewichtskraft von 1 N.
Die Messungen sind fehlerbehaftet, vor allem die Menge des
verdrängten Wassers. Bei Wiederholungen haftet am Tauchkörper noch Wasser und das Auffanggefäß wird nie ganz
ohne einen Rest von Wasser bleiben.
5. Zuerst liegt das Ei auf dem Boden des Glases. Nach Einstreuen einer bestimmten Salzmenge schwebt es bzw. steigt
weiter und schwimmt schließlich. Die Dichte des umgebenden Wassers wird durch das Einstreuen und Lösen von Salz
erhöht. Da anfänglich die mittlere Dichte des Eies nur
geringfügig über der des Leitungswassers liegt, können
somit die Fälle
– Schweben FA = FG, Ei und r W = r Ei
– Steigen FA > FG, Ei und r W > r Ei sowie
– Schwimmen FA = FG, Ei und r W > r Ei (Teil des Eies befindet
sich außerhalb des Wassers)
realisiert werden.
7. Das Volumen des verdrängten Wassers kann mithilfe der
Abmessungen der Kunststoffdose und ihrer Eintauchtiefe
ermittelt werden: V = Länge · Breite · Eintauchtiefe. Ohne
Zuladung wird die Eintauchtiefe der Dose markiert und mit
null festgelegt. Nutzt man Hakenkörper bekannter Masse,
dann entfällt das Ermitteln der Zuladung mithilfe einer
Waage. Erfahrungsgemäß erkennen die Schüler sehr schnell,
dass die Ladung möglichst gleichmäßig verteilt werden muss.
Die Auswertung des Diagramms ergibt eine Proportionalität
zwischen der Masse der Zuladung und dem Volumen der verdrängten Flüssigkeitsmenge. Für die Beladung von Schiffen
ist deshalb die Masse der Zuladung und ihre Verteilung von
Bedeutung.
8. Die Funktionsweise des Tauchkörpers aus Styropor wird für
die Schüler erst einsichtig, wenn sie wissen, dass Styropor
feine Poren hat, in die Wasser unter Druck eindringt und bei
Verminderung des Drucks wieder ausströmt. Bei beiden
Tauchkörpern wird die Gewichtskraft durch das unter Druck
eindringende Wasser erhöht. Ist diese größer als die Auftriebskraft, dann sinkt der Tauchkörper, andernfalls steigt er.
Sind beide gleich groß, so schweben die Tauchkörper.
Thermische Energie
Temperatur und Wärme ändern sich (LB S. 56)
1. Die Endtemperatur ist höher als die Anfangstemperatur,
wenn auch nur geringfügig. Durch das Schütteln werden die
Wasserteilchen in heftigere Bewegungen gesetzt und reiben
stärker aneinander. Ihre thermische Energie steigt und damit
ihre Temperatur.
2. Das Experiment soll Einsichten über den Wärmeaustausch
liefern. Es kommt auf eine gute Durchmischung jeder Flüssigkeit vor jeder Temperaturmessung an. Die Messungen
werden beendet, wenn sich die Temperaturen beider Flüssigkeiten ausgeglichen haben. Wenn beispielsweise die Masse
des wärmeren Wassers kleiner als die des kalten Wassers ist,
dann wird diese Wärme benötigt, um in einer bestimmten
Zeit die größere Menge kälteren Wassers zu erwärmen. Das
bedeutet, die Temperatur des kälteren Wassers steigt nicht
in dem Maße, wie die Temperatur des warmen Wassers
abnimmt. Außerdem erwärmt das wärmere Wasser noch das
kältere Gefäß. Darüber hinaus gibt es einen Wärmeaustausch mit der Umgebung.
Bei der Interpretation ist außerdem hervorzuheben, welche
Flüssigkeit Wärme abgegeben, welche Wärme aufgenommen hat und in welcher Richtung der Wärmeaustausch
erfolgte.
Eine Differenzierung für leistungsstärkere Schüler kann
durch die Berechnung der abgegebenen und der aufgenommenen Wärme vorgenommen werden. Sie sollten auch
begründen, warum die Werte unterschiedlich ausfallen.
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52
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches
3. Damit die Heizplatte jeweils dieselbe Wärme abgibt, ist sie
vor Beginn der Messungen bereits einige Zeit einzuschalten.
Vorsicht, auf Verletzungsgefahr hinweisen! Es ist zweckmäßig, jeweils Leitungswasser um 20 K zu erwärmen. Die Zeit,
in der sich die verschiedenen Massen um 20 K erwärmen,
entspricht der zugeführten Wärme durch die Heizplatte.
Ergebnis: Je größer die Masse des Wassers, desto größer die
aufgenommene Wärme, vorausgesetzt, die Temperatur
ändert sich um denselben Betrag.
4. Wie bei Experiment 3 ist die Heizplatte vor Beginn der Messungen bereits einige Zeit vorher einzuschalten, damit sie
jeweils dieselbe Wärme abgibt. Die Schüler müssen sich
informieren, wie viel Wärme die Heizplatte, die sie verwenden, in 10 Sekunden abgibt. Gemessen werden müssen die
Anfangs- und die Endtemperatur einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, die Zeit der Erwärmung und die Masse der Flüssigkeit.
Hat die verwendete Heizplatte z. B. eine Leistung von 500 W,
dann gibt sie in 10 s eine Wärme von 5 kJ ab. Daraus kann
die Wärme berechnet werden, die die Heizplatte in der Zeit t
abgegeben hat. Die spezifische Wärmekapazität wird mithilfe der Gleichung c = Q / (m · ∆T) berechnet. Abweichungen
mit Tabellenwerten ergeben sich vor allem aus der Erwärmung des Gefäßes und dem Wärmeaustausch mit der Umgebung.
Außer Wasser als Flüssigkeit eignen sich auch Geschirrspülmittel bzw. Gefrierschutzmittel (Glycerol).
Körper ändern ihren Zustand (LB S. 66)
1. Dieses Experiment eignet sich gut als Hausexperiment. Das
Wasser im Plastikgefäß ist zu Eis erstarrt. Das Eis ragt über
das Gefäß hinaus. Es nimmt ein größeres Volumen ein als
vorher das Wasser. Wasser macht gegenüber anderen Flüssigkeiten beim Erstarren eine Ausnahme (Anomalie). Es hat
bei 4 °C sein größtes Volumen.
2. a) Das Wachs des Teelichts wird flüssig. Es bildet eine glatte
Oberfläche. Einige Zeit nach dem Ausblasen ist das Wachs
erstarrt. Die Oberfläche ist nach innen gewölbt und hat
eine Mulde gebildet.
b) Wachs verringert sein Volumen bei Abkühlung, genauso
wie die meisten anderen Stoffe auch. Wasser bildet eine
Ausnahme.
3. Um den Vorgang zu beschleunigen, sollte die Menge des
Wassers klein gehalten werden. Das Thermometer darf nicht
den Boden des Gefäßes berühren.
a) Temperatur-Zeit-Diagramm
b) Die Temperatur steigt bis etwa 98 °C an und ändert sich
nicht während des Verdampfens.
c) Während des Verdampfens wird die gesamte zugeführte
Wärme für die Umwandlung des Wassers in Wasserdampf
benötigt. Die Teilchen der Flüssigkeit bewegen sich heftiger und können diese verlassen.
4. Die Aufgabenstellung ist offener gehalten, sodass sich die
Schüler überlegen müssen, wie sie ihre Messergebnisse erfassen und auswerten können. Man kann die Schüler aber auch
auf Analogien im Vorgehen bei Experiment 3 hinweisen.
5. Parfüm verflüchtigt sich schneller als Wasser. Gleichzeitig
kühlt es die Haut. Die Beobachtungen fallen den Schülern
leicht. Schwieriger sind die Erklärungen: Alkohol verdunstet
schneller als Wasser. Deshalb entzieht er der Haut in kürzerer
Zeit die erforderliche Wärme, um in den gasförmigen
Zustand über zu gehen.
6. Die Temperatur sinkt, weil Spiritus verdunstet und der
Umgebung (Thermometergefäß) Wärme entzieht.
Bei der Wiederholung kommt man zu einem qualitativ
gleichwertigen Ergebnis, aber die Abkühlung geschieht
schneller. Durch das Blasen vergrößert sich die Verdunstungsgeschwindigkeit, weil die verdunsteten Anteile schneller
abgeführt werden.
7. Die Temperatur des Leitungswassers ist gesunken.
Das Lösen von Salz entzieht dem Leitungswasser Wärme.
Dadurch wird seine Temperatur niedriger.
Thermische Energie wird übertragen (LB S. 79)
1. Die Kerzenflamme bzw. das Luftpendel neigt sich in Richtung
der Luftströmungen in einem Zimmer. Über einem Heizkörper
bewegt sich die Flamme mit der aufsteigenden warmen Luft.
In der Nähe des Fußbodens weist die Flamme in Richtung
Heizkörper, weil kältere Luft zum Heizkörper strömt. In der
Nähe der Tür kann es ziehen, weil kalte Luft durch die Ritzen
nachströmt. In der Mitte des Zimmers kann die Kerze ungestört brennen, weil es hier kaum Luftströmungen gibt.
2. Es eignen sich Metalldrähte aus Stahl, Aluminium und Kupfer.
Die meisten Schüler vermuten, dass Aluminium die Wärme am
besten leitet. Die Vermutungen der Schüler sollten registriert
werden. Ein Vergleich mit Tabellenwerten zeigt, dass Kupfer
ein noch besserer Wärmeleiter ist als Aluminium.
Bei der Durchführung des Experiments ist darauf zu achten,
dass die Bedingungen immer gleich sind, wie gleich große
Paraffinkugel, gleicher Abstand zum Teelicht, usw.
3. Wenn die Postkarte mit Aluminiumfolie überzogen ist, dann
spürt man eine Erwärmung. Das liegt daran, dass die Körperwärme (Gesichtswärme) von der Folie zurückgestrahlt wird.
4. Die Aufgabenstellung ist bewusst offen gehalten, damit die
Schüler ihre eigenen Ansprüche sowohl an Aufbau und
Funktionstüchtigkeit als auch an den Nachweis der Temperaturerhöhung realisieren können.
Variationsmöglichkeiten wären z. B.
– die Auslegung der Behälter mit weißem, grauem oder
schwarzem Papier,
– die Verlängerung des Wasserrohres (mehr Windungen),
– das Abdecken der Behälter mit einer Glasplatte,
– die Erwärmung durch Sonnenlicht oder durch einen Heizstrahler,
– die Veränderung des Abstandes des Heizstrahlers,
– die Dauer der Erwärmung.
Die Erwärmung kann mithilfe des Wärmeempfindens der
Haut oder durch Messung mit einem Thermometer nachgewiesen werden. Die Temperatur kann z. B. jeweils nach 2
Minuten gemessen werden.
5. Die Anleitung ist relativ ausführlich und sollte so nachgebaut
werden. Eine Steigerung der Anforderungen besteht in der
Optimierung des Wirkungsgrades. Optimierung bedeutet,
dass in gleicher Zeit eine höhere Temperatur des Wassers
gemessen werden kann. Eine Möglichkeit besteht darin, die
Hülle des Teelichts so anzubringen, dass sich das reflektierte
Licht des Scheinwerfers möglichst genau auf dem Boden des
Topfes trifft. Die Temperaturmessung gestaltet sich schwierig,
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Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches
weil es nur um eine kleine Menge Wasser geht. Außerdem ist
der Wärmeaustausch mit der Umgebung relativ groß.
53
Selbstständiges Experimentieren
Der Innenwiderstand von Messgeräten und Batterien (LB S. 130)
Eigenschaften elektrischer Bauelemente
Elektrischer Widerstand und ohmsches Gesetz (LB S. 108)
1. In diesem Experiment sollen die Schüler erkennen, was sich
durch das Verändern der Spannung an der elektrischen
Quelle für die Spannung am Widerstand und die Stromstärke ergibt, die durch den Widerstand fließt.
Ergebnis: Die Spannung an einem Widerstand muss verringert werden, damit ein kleinerer Strom durch ihn fließt.
2. Bereits in der Vorbereitung festigen die Schüler, dass folgende Zusammenhänge gelten:
– I ~ U, wenn R = konstant
– U ~ R, wenn I = konstant und
– I ~ 1/R, wenn U = konstant.
Die Durchführung des Experiments ähnelt der Durchführung
des Experiments 4. Der Nachweis, dass indirekte Proportionalität vorliegt, sollte – zusätzlich zur grafischen Darstellung –
durch die Produktbildung von I und R geführt werden.
3. Betriebszustand heißt: An der Lampe liegt eine Spannung
von 6 V an. Kalter Zustand heißt: Die Spannung, die angelegt wird, ist viel kleiner als die Betriebsspannung, z. B. 1 V.
Unabhängig von der Leistung der zur Verfügung stehenden
Lampe, werden die Schüler an der Lampe im kalten Zustand
eine größere Stromstärke messen als im Betriebszustand,
weil die Stromstärke in dem Maße abnimmt, wie sich die
Temperatur erhöht.
4. Wenn ein Dekadenwiderstand zur Verfügung steht, sind die
Schüler knapp mit der Nutzung vertraut zu machen.
Wenn kein Dekadenwiderstand zur Verfügung steht, sollten
mindestens drei, besser fünf Widerstände nacheinander in
Reihe geschaltet werden. Diese Variante kann den Schülern
mit dem Modell der Elektronenleitung plausibel gemacht
werden. Es ist den Schülern bewusst zu machen, dass die Proportionalität nur dann gilt, wenn die Stromstärke durch die
Bauteile jeweils konstant ist. Beim Anlegen einer Messwertetabelle sollte bereits eine dritte Spalte für die Berechnung
der Quotienten aus U und R angelegt werden.
5. Dieses Experiment ist bewusst offen angelegt. Es stellt hohe
Anforderungen an die Kreativität der Schüler. Es gibt folgende Möglichkeiten:
– Es wird der Durchmesser des Drahtes bestimmt. Außerdem
kann man aus Spannung und Stromstärke den Widerstand
des Drahtes ermitteln. Den spezifischen elektrischen
Widerstand kann man einem Tafelwerk entnehmen. Aus
R, r und d kann man mithilfe des Widerstandsgesetzes die
Länge des Drahtes berechnen.
– Der Widerstand wird direkt gemessen. Die Berechnungen
sind analog.
1. Die Messergebnisse in diesem Experiment werden durch die
verwendeten Messgeräte stark beeinflusst. Deshalb ist es
zweckmäßig, sich vor Einsatz der Geräte über deren Innenwiderstand bei Nutzung als Spannungs- bzw. Strommesser in
den Bedienungsanleitungen zu informieren. Ist der Innenwiderstand als Strommesser sehr klein und als Spannungsmesser
sehr groß, dann können möglicherweise die Unterschiede in
den Messungen vernachlässigbar klein sein. Die stromrichtige
Schaltung macht in der Regel Sinn, wenn es auf exakte
Strommessung ankommt und der Spannungsabfall am Spannungsmesser vernachlässigbar klein gegenüber dem Spannungsabfall am Widerstand ist. Das ist in der Regel bei Nutzung großer Widerstände der Fall. Die spannungsrichtige
Schaltung ist dagegen zu bevorzugen, wenn es auf exakte
Spannungsmessung ankommt und die Stromstärke, die durch
den Strommesser fließt, vernachlässigbar klein ist gegenüber
der Stromstärke durch den Widerstand. Das ist in der Regel
bei kleinen Spannungen und kleinen Widerständen der Fall.
2. Es können sich folgende Messergebnisse ergeben:
UL in V
UK in V
Monozelle
1,5
1,3
Flachbatterie
4,5
4,0
Die Klemmenspannungen von Monozelle und Flachbatterie
sind jeweils kleiner als die zugehörigen Leerlaufspannungen.
Die Spannung der elektrischen Quellen muss nicht nur den
elektrischen Strom durch ein elektrisches Bauteil antreiben,
sondern auch den Strom durch die Quelle selbst.
Widerstände in unverzweigten und verzweigten Stromkreisen
(LB S. 133)
1. Das Experiment dient der Bestätigung der theoretisch hergeleiteten Gesetze für den Gesamtwiderstand. In der Messwertetabelle für die Reihenschaltung werden U1, I1, U2, I2, I, U
erfasst und R1, R2 sowie R berechnet. Für die Parallelschaltung sind nur noch einmal U und I zu messen und R zu
berechnen. Die Abweichungen zwischen den errechneten
Gesamtwiderständen und den aus der Messung hervorgegangenen Werten sind recht klein und hängen vor allem von
der Güte der verwendeten Messgeräte ab. Die größte
Schwierigkeit für die Schüler stellt erfahrungsgemäß die
Berechnung des Gesamtwiderstands für die Parallelschaltung
mithilfe der Gleichung
1
1
1
--- = ----- + ----R
R1 R2
dar.
Die Zusatzaufgaben für die direkte Widerstandsmessung
eignen sich zur Differenzierung.
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54
Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuches
2. Die Schaltung ist nach folgendem Schaltplan aufzubauen:
R1
R2
V
V
U1
U2
Als Widerstandskombinationen eignen sich z. B.: 50 Ω und
100 Ω, 100 Ω und 50 Ω, 50 Ω und 50 Ω.
durch die große Wärmekapazität des Gefäßes wesentlich
geringer aus.
2. Das Experiment verbindet Kenntnisse aus der Elektrizitätslehre und Mechanik. Die zugeführte Energie wird aus der
Leistung des Spielzeugmotors und der Zeit ermittelt, die für
das Heben des Körpers um 1 m benötigt wird: Eel = Pel · t.
Vorher wird die Leistungsaufnahme des Motors mit einem
Leistungsmesser gemessen und mit einer Stoppuhr die Zeit
für das Heben des Wägestücks. Die nutzbare mechanische
Energie ergibt sich aus Emech = FG · h und der Wirkungsgrad
wird mithilfe der Gleichung h = Emech/Eel berechnet. Der Wirkungsgrad des Motors liegt unter 20 %. Dieser Wirkungsgrad ist für einen Elektromotor verhältnismäßig klein. Die
„Verluste“ sind zurückzuführen auf die große Reibung und
die beträchtliche Erwärmung des Motors.
3. Die Kennlinien werden nach folgendem Schaltplan aufgenommen:
Kennlinien von Bauteilen (LB S. 134)
1. Mit dem Experiment erkennen die Schüler prinzipiell, dass
eine Kennlinie ein Bauteil beschreibt und mithilfe dieser
Beschreibung dann das Verhalten des Bauteils vorausgesagt
werden kann. Im Vergleich beider Kennlinien geht es um die
Betonung von Gültigkeitsbedingungen von Gesetzen. Die
Voruntersuchung zur Veränderung der Helligkeit der Glühlampe mithilfe unterschiedlicher Spannungsabfälle stellt für
die Schüler eine Festigung dar. Die grafische Darstellung der
Messwerte mithilfe eines grafikfähigen Taschenrechners
bedeutet für die Schüler eine hohe Anforderung. Sie können
sich aber an dem Beispiel im Lehrbuch S. 98-99 unter PhysikKlick orientieren. Das Ermitteln der Ausgleichsgeraden
macht naturgemäß nur für den Konstantandraht Sinn.
Wirkungsgrad von Geräten und Kennlinien von Bauteilen
(LB S. 135)
1. Da Wirkungsgradermittlungen sehr komplex sind und meistens – wie auch in diesem Beispiel – Wissen aus mindestens
zwei Gebieten der Physik anwenden, ist das zugrunde liegende Messprinzip sehr ausführlich dargestellt worden. Die
Kenntnisse, um die zugeführte Energie mithilfe der Leistung
und der Einschaltdauer des Tauchsieders zu ermitteln, sind
nun vorhanden. Der Schritt a) in der Vorbereitung, alle zu
nutzenden Gleichungen zu interpretieren, sollte unbedingt
eingehalten und gemeinsam mit allen Schülern diskutiert
werden. Der Wirkungsgrad ist mit über 80 % relativ hoch
und höher als der einer Elektrokochplatte. Schlussfolgerung:
Tauchsieder bzw. Wasserkocher nutzen.
Damit die Messung so überzeugend ausfällt, ist darauf zu
achten, dass der Wärmeaustausch mit der Umgebung gering
bleibt und die Masse des Gefäßes im Verhältnis zur Masse
des Wassers klein ist. Andernfalls fällt der Wirkungsgrad
A
V
Für einen 1 m langen Eisendraht von 0,3 mm Durchmesser
ergeben sich z. B. folgende Messwerte:
U in V
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
IDraht in Luft in mA
0,22
0,43
0,71
0,89
1,07
IDraht in Wasser in mA
0,22
0,45
0,91
1,34
1,74
Die Messwertepaare für den gekühlten Eisendraht liegen
annähernd auf einer Geraden. Für den ungekühlten Eisendraht wächst die Stromstärke nicht in demselben Maß wie
die Spannung. Leistungsstarke Schüler können die Messwerte wiederum mit einem grafikfähigen Taschenrechner
auswerten und darstellen.
4. Die Durchführung des Experiments ist bewusst offen gelassen worden. Der Widerstand wird in Abhängigkeit von der
Temperatur ermittelt. Dabei kann der Widerstand sowohl
aus Stromstärke- und Spannungsmessungen berechnet als
auch direkt gemessen werden. Der Heißleiter wird in einem
Wasserbad erhitzt. Die Messungen erfolgen – z. B. bei 20 °C
beginnend – in Schritten von 5 °C bis 50 °C. Die Schüler
erkennen, dass mit Zunahme der Temperatur der Widerstand
des Heißleiters abnimmt.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
6 Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
55
chen beträgt 1: 20, deshalb muss auch das Verhältnis der
Kräfte 1: 20 betragen. F = 10000 N/20 = 500 N.
11. F = p · A
F = 14 kPa · 3 cm2 = 1,4 N/cm2 · 3 cm2 = 4,2 N
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
Druck und Druckausbreitung (LB S. 16 –17)
1. Unsere Muskeln üben eine Kraft (Druckkraft) auf die Fläche
des beweglichen Kolbens aus. Dadurch wird das Volumen
der eingeschlossenen Luftmenge verkleinert, und der Druck
der eingeschlossenen Luft erhöht sich. Dadurch wird das
Fahrradventil etwas geöffnet, und Luft strömt in den
Schlauch, sodass sich auch dort der Druck der eingeschlossenen Luftmenge erhöht. Wird der Kolben zurückgezogen,
schließt das Ventil und im Zylinder der Pumpe entsteht ein
Unterdruck. Die Außenluft drückt die Ledermanschette am
Kolben nach innen und Luft strömt in den Pumpenzylinder.
2. Internetrecherche: Der Blutstrom in den Gefäßen übt auf die
elastischen Gefäßwände einen Druck aus. Dieser Druck wird
als Blutdruck bezeichnet. Dabei wird zwischen dem systolischen und dem diastolischen Druck unterschieden. Der systolische (höhere) Wert ist der Druck während der Kontraktion
des Herzens und gibt Auskunft über die Leistung des Herzens. Der diastolische (niedrigere) Wert ist der Druck während der Erschlaffung der Herzmuskulatur. Die Druckwerte
werden meist in Torr angegeben. Ein Wert von 120/80
bedeutet: Der systolische Wert beträgt 120 Torr (16 kPa), der
diastolische Wert 80 Torr (11 kPa).
3. Druck und Auflagefläche sind bei gleich bleibender Kraft
indirekt proportional. Da die Auflagefläche einer Nadel sehr
gering ist, ist der Druck sehr groß.
4. Man muss die Auflagefläche der Räder vergrößern. Das
erreicht man z. B. durch Anbau von weiteren Reifen.
5. Durch die breiten Ketten ist die Auflagefläche groß und damit
der Druck auf die Skipiste relativ klein, denn es gilt: p ~ A.
6. Zur Bestimmung ist die Gleichung p = F/A anzuwenden (F ...
Gewichtskraft, A ... Fläche von beiden Füßen).
7. Durch den Überdruck im Luftballon wirken auf die Luftteilchen Kräfte, und sie werden in der Abbildung nach vorn aus
der Öffnung (Düse) herausgestoßen. Die auftretende Gegenkraft wirkt auf das Auto und bewegt es in entgegengesetzter Richtung.
8. Die Teilchen der Gase haben große Abstände und bewegen
sich unabhängig voneinander. Daher lassen sich Form und
Volumen leicht verändern. Flüssigkeitsteilchen liegen dicht
an dicht, sie lassen sich fast nicht mehr zusammendrücken.
9. Angenommen, der Druck in der Wasserleitung ist genauso
groß wie im Gartenschlauch. Dann ist bei geöffnetem Hahn
die Druckkraft des austretenden Wassers auf die bloße Hand
größer als bei einem kleinen Loch im Schlauch, weil die Austrittsfläche im Falle des Schlauchs kleiner ist (F ~ A).
10. Da der Mensch in der Regel eine Muskelkraft von 700 N aufbringen kann, ist es zu schaffen, das Auto mit der hydraulischen Anlage anzuheben. Das Verhältnis der Querschnittsflä-
12. Das Anschlussrohr der Druckdose stellt ein verbundenes
Gefäß dar. Steigt das Wasser im Füllraum, dann steigt es
auch im U-Rohr der Druckdose. Der eine Schenkel ist durch
eine bewegliche Membran verschlossen. Der Anstieg des
Wassers erhöht hier den Druck, die Membran wölbt sich
nach außen und schließt einen elektrischen Kontakt zum
Magnetventil. Die Wasserzufuhr wird dann unterbrochen.
13. niedrigster Luftdruck: F = p · A; F = 97 kPa · 0,015 m2 = 1,46 kN
höchster Luftdruck: F = p · A; F = 103 kPa · 0,015 m2 = 1,55 kN
Die Änderung beträgt 90 N. Von dieser Kraft spüren wir
nichts, da der Luftdruck von allen Seiten auf die Hand einwirkt.
14. Bei hohen Temperaturen (z. B. bewirkt durch Sonneneinstrahlung) kann der Druck so groß werden, dass die Gefäßwände der Spraydose dem nicht standhalten. Es könnte zur
Explosion kommen.
15. Es wird das Gesetz genutzt, dass sich der Druck in Gasen
gleichmäßig nach allen Seiten ausbreitet. Er führt zu Kräften
auf die beweglichen Kolben der Türschließvorrichtung. Da
Druckluft weiter zusammengedrückt werden kann, ist die
Verletzungsgefahr für Personen, die sich beim Schließen
noch im Türbereich befinden, nicht so hoch.
16. a) Wird Luft mit hohem Druck in das Metallröhrchen des
Ventils gepresst, dann hebt sich der übergestülpte Ventilgummi etwas vom Ventilloch ab und die Luft strömt in
den Schlauch. Wirkt nur der Luftdruck im Schlauch, so
wird der Ventilgummi gegen die Öffnung gepresst und
verschließt sie.
b) Beim Hineindrücken des Kolbens in die Luftpumpe wird
das Volumen der eingeschlossenen Luft verkleinert und
somit der Druck der Luft erhöht. Diese Luft gelangt in das
Ventil und damit in den Schlauch (siehe a). Beim Zurückziehen des Kolbens entsteht im Pumpenzylinder ein
Unterdruck, da das Ventilloch wieder geschlossen ist. Die
Außenluft drück jetzt die Ledermanschette am Kolben
nach innen und die Luft strömt in den Zylinder.
17. a) Das Wasser wird mithilfe einer Pumpe aus dem Brunnen
in den Druckbehälter gepumpt. Dabei wird die dort eingeschlossene Luft zusammengedrückt und somit entsteht
ein Überdruck.
Wird im Haushalt ein Wasserhahn geöffnet, fließt das
Wasser. Es wird durch den Überdruck im Druckbehälter
durch die Leitung gedrückt.
b) Ohne Druckbehälter müsste bei jedem Öffnen eines Wasserhahns die Pumpe anspringen, um Wasser nachzupumpen. Mit einem Druckbehälter springt die Pumpe erst an,
wenn der eingestellte Druckwert unterschritten wird.
18. Die Luftbläschen würden bei Betätigung der Bremse zusammengedrückt werden. Dadurch würde die Kraftübertragung
durch die Bremsflüssigkeit auf die Bremsbacken vermindert
und die volle Bremsleistung nicht erreicht werden.
19. F = p · A
F = 500 kPa · 2 cm2
F = 50 · 2 N = 100 N.
Diese Kraft könnte man aufbringen.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
20. F = p · A = p · π/4 · d2
F = 1 500 kPa · π/4 · 1 m2
F = 1178 kN
21. Da das Verhältnis der Querschnittsflächen 1 : 25 beträgt,
muss auch das Verhältnis der Kräfte 1 : 25 betragen.
F = 10000 N/25 = 400 N. Da der Mensch in der Regel eine
Muskelkraft von 700 N aufbringen kann, ist es zu schaffen,
das Auto mit der hydraulischen Anlage anzuheben.
9. Die Auftriebskraft ist der Dichte des Wassers proportional, d. h.
das Schiff taucht in unterschiedlichen Regionen (mit unterschiedlichen Wasserdichten) unterschiedlich tief ein. Z. B.
Dichte Tropen Frischwasser < Dichte Tropen Salzwasser; Eintauchtiefe bei Tropen Frischwasser > Eintauchtiefe in Tropen
Salzwasser.
10. rEis < rWasser
1. Der Aufbau ist der beschrifteten Skizze zu entnehmen.
Wirkungsweise: Beim Herabbewegen des Kolbens im Zylinder versperrt das Bodenventil dem Wasser den Rückweg, es
gelangt durch das Ventil im Kolben in den Raum oberhalb
des Kolbens. Bei der folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens wird es angehoben und kann durch das Ausflussrohr
ausströmen, da jetzt das Ventil im Kolben geschlossen bleibt.
Gleichzeitig verringert sich der Druck unterhalb des Kolbens;
der äußere Luftdruck drückt Wasser aus dem Brunnen durch
das Steigrohr in den Zylinder.
11. Die Schwimmblase der Fische ist ein elastischer Gasbehälter,
der in Abhängigkeit vom Druck ausgedehnt oder zusammengezogen werden kann. Damit variieren die Fische mithilfe
ihrer Schwimmblase ihr Volumen und erfahren so eine unterschiedliche Auftriebskraft; ihre Gewichtskraft bleibt konstant.
Beim Sinken verkleinert sich ihr Volumen und damit die Auftriebskraft: FA < FG. Beim Schweben gilt FA = FG.
Beim Steigen vergrößern sie ihr Volumen und damit die Auftriebskraft: FA > FG.
Hinweis: Der „Normalzustand“ ist der des Schwebens. Aufund Abwärtsbewegungen können dann allein durch Flossenbewegung erreicht werden.
Im U-Boot wird durch das Füllen der Tauchzellen mit Wasser
bzw. durch das Herauspumpen des Wassers erreicht, dass
sich die Gewichtskraft des U-Bootes ändert.
Da das Volumen konstant bleibt, ändert sich auch die Auftriebskraft nicht.
Beim Sinken werden die Tauchzellen gefüllt: FG > FA. Um zu
steigen, wird Wasser herausgepumpt: FG < FA. Im Schwebezustand herrscht Gleichgewicht zwischen der Gewichtskraft
und dem Auftrieb: FG = FA.
2. Die Kräfte entstehen durch den Schweredruck des Wassers.
Mit wachsender Tiefe nehmen der Schweredruck und damit
auch die wirkenden Kräfte zu.
12. a) Fichtelberg (1214 m): rund 86 kPa
b) Mt. Blanc (4807): rund 54 kPa
c) in 10 km Höhe: rund 30 kPa
3. Durch die Form des Geruchsverschlusses (z. B. U-Rohr) wird
erreicht, dass ein Teil des aus dem Waschbecken abfließenden Wassers das Abflussrohr vollständig verschließt. Diese
Wassersäule verhindert die Geruchsbelästigung aus dem
Abwasserrohrsystem.
13. 1 030 hPa entsprechen 10,3 m Wassersäule.
22. a) p = F/A
p = 50 000 N/(0,2 m2 · 4) = 62,5 kPa
b) p = F/A
p = 500 N/(0,0 001 m2 · 2) = 2 500 kPa
Der Auflagedruck, den die Frau erzeugt, ist 40 Mal größer
als der Druck, den der Elefant erzeugt.
Schweredruck und Auftrieb (LB S. 34 – 35)
4. Der wassergefüllte Schlauch mit seinen zwei angehobenen
Enden stellt ein verbundenes Gefäß dar. Das Wasser steht in
den Röhrchen aus Glas gleich hoch. Ein Höhenvergleich kann
somit durchgeführt werden.
5. Die durch den Luftdruck wirkende Kraft ist größer als die
Gewichtskraft der Wassersäule im Vorratsgefäß. Durch das
Trinken der Tiere leert sich das Trinkbecken. Damit gelangt
Luft in das Vorratsgefäß und Wasser läuft heraus. Nun stellt
sich jeweils wieder ein Gleichgewicht zwischen äußerem
Luftdruck und dem Schweredruck der Wassersäule ein, vermehrt durch den Gasdruck der eingeschlossenen Luft.
6. Unter Wasser wirkt die Auftriebskraft der Gewichtskraft des
Steins entgegen und die aufzubringende Hubkraft ist damit
geringer als außerhalb des Wassers.
7. Im Wasser wirkt die Auftriebskraft der Gewichtskraft des
Bruders entgegen. Dadurch ist die zum Halten des Bruders
erforderliche Kraft geringer als die Gewichtskraft.
8. a) Möglichst viel Luft einatmen und viele Körperteile unter
Wasser haben.
b) Meerwasser hat eine größere Dichte als das Süßwasser in
einem Binnensee. Damit wird die Auftriebskraft im Salzwasser so groß, dass es keiner weiteren Schwimmbewegungen bedarf.
14. 1 020 hPa entsprechen 10,2 m Wassersäule.
980 hPa entsprechen 9,8 m Wassersäule.
Die Wassersäule eines Wasserbarometers würde um 40 cm
fallen.
Hinweis: Die Werte sind gerundet. Die genauen Werte
könnte man ermitteln nach der Gleichung h = p /(r · g).
15. Druckzunahme beim Abstieg von 12 km auf 8 km:
34 kPa – 16 kPa = 18 kPa
Druckzunahme beim Abstieg von 4 km auf 0 km:
100 kPa – 60 kPa = 40 kPa
Bei gleicher Höhendifferenz, aber unterschiedlichen Anfangswerten in der Höhe, ist die Änderung des Luftdrucks in Erdbodennähe größer als in größeren Höhen über der Erdoberfläche.
16. Der Salzgehalt und damit die Dichte des Meerwassers ist in
Rostock geringer als im Atlantischen Ozean. Die Eintauchtiefe des Schiffes nimmt auf der Fahrt in den Atlantischen
Ozean ab.
17. Zu Beginn sind die Wassertanks zum Großteil geflutet. Das
Schwimmdock sinkt bis zu einer bestimmten Tiefe. Das Schiff
fährt hinein und wird befestigt. Durch Pumpen wird nun das
Wasser aus den Tanks gepumpt. Das Schwimmdock steigt
nach oben (Auftrieb) und hebt den gesamten Schiffskörper
mit empor.
18. Das Trommelfell trennt das äußere Ohr vom Mittelohr. Dieses
ist (durch die eustachische Röhre) mit dem Rachenraum verbunden. Diese Verbindung hat die Aufgabe, den Druck im
Mittelohr dem Luftdruck anzupassen. Auf beiden Seiten des
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
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Trommelfells soll der gleiche Druck vorhanden sein. Ändert
sich nun der Luftdruck sehr schnell (Berg- und Talfahrten,
Starten und Landen mit dem Flugzeug), so dauert es einige
Zeit, bis der Druckausgleich erfolgt ist. Bis dahin ist das Trommelfell nach innen oder außen gewölbt, was wir als unangenehmes Druckgefühl empfinden. Schlucken beschleunigt den
Druckausgleich, weil hierbei der Eingang der eustachischen
Röhre geöffnet wird.
19. a) Im U-Boot wird durch das Füllen der Tauchzellen mit Wasser bzw. durch das Herauspumpen des Wassers erreicht,
dass sich seine Gewichtskraft ändert. Da das Volumen
konstant bleibt, ändert sich auch die Auftriebskraft nicht.
Beim Sinken werden die Tauchzellen gefüllt: FG > FA. Um
zu steigen, wird Wasser herausgepumpt: FG < FA. Im
Schwebezustand herrscht Gleichgewicht zwischen der
Gewichtskraft und dem Auftrieb: FG = FA.
b) Internetrecherche
Fächerverbindendes Thema: Luft – der Stoff, der uns umgibt
(LB S. 37 – 43)
1. Säulendiagramm: Anteile der vier wichtigsten Bestandteile
der Luft
Volumenanteile in %
Ozon ist eine Modifikation des Sauerstoffs. Es besteht aus
gewinkelten O3-Molekülen. Ozon ist ein Gas, sein Schmelzund Siedepunkt liegen aber höher als der von O2. Es ist deutlich reaktiver als der gewöhnliche Sauerstoff. Ozon ist ein
bläuliches, giftiges Gas. Seinen charakteristischen Geruch
kann man z. B. gut in Copy-Shops wahrnehmen. Es zerfällt
bei Energiezufuhr, beispielsweise durch Licht oder Wärme
sehr schnell zu Sauerstoff.
Die Bildung von Ozon aus Sauerstoff ist endotherm. Es entsteht z. B. in den höheren Luftschichten der Atmosphäre aus
Sauerstoffmolekülen, die durch UV-Strahlung angeregt wurden, und bildet die schützende Ozonschicht. Diese ist für uns
wichtig, weil sie UV-Strahlung, die uns schaden würde, von
der Erdoberfläche fernhält.
In Bodennähe führen Autoabgase im Sommer zur Bildung
von Ozon, das wesentlichen Anteil am Sommersmog hat.
Hier ist es nicht erwünscht, weil es Augen und Schleimhäute
reizt und die Atmungsorgane schädigt.
3. Für eine Woche im Oktober haben sich z. B. folgende Daten
ergeben, die jeweils um 14.00 Uhr erhoben wurden:
Datum
Temperatur
in °C
Luftfeuchtigkeit in %
Luftdruck in
hPA
15.10.
15,3
68
1 021,6
16.10.
14,1
66
1 026,3
17.10.
13,2
81
1 021,9
18.10.
13,8
75
1 022,2
19.10.
14,4
69
1 023,3
20.10.
14,6
66
1 024,2
21.10.
14,5
64
1 024,4
Kohlenstoffdioxid
78,08 % 20,95%
Temperatur in °C
Edelgase
Sauerstoff
Stickstoff
Es ist zweckmäßig, die Wetterdaten jeweils in Säulendiagrammen darzustellen.
0,94%
0,03%
15,3
14,4
14,1
14,6
14,5
13,8
13,2
2. Argon, Neon, Helium, Krypton und Xenon gehören zu den
Edelgasen. Detaillierte Informationen über diese Stoffe findet man u. a. unter www.tafelwerk.de. Klickt man im PSE
auf das jeweilige Element, erhält man u. a. Auskunft über
Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung.
Informationen zu Methan und Ozon findet man z. B. in
www.schuelerlexikon.de unter den entsprechenden Suchwörtern.
15.10. 16.10. 17.10. 18.10. 19.10. 20.10. 21.10. Datum
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58
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
Rel. Luftfeuchtigkeit in %
81
75
68
69
66
66
64
15.10. 16.10. 17.10. 18.10. 19.10. 20.10. 21.10. Datum
1024,4
1024,2
1023,3
1022,2
1021,9
1026,3
1021,6
Luftdruck in 10 hPA
15.10. 16.10. 17.10. 18.10. 19.10. 20.10. 21.10. Datum
4. a) Zur Wirkung des Ozons
In der Atmosphäre gibt es zwei Bereiche mit merklicher
Konzentration von Ozon:
– In Erdbodennähe entsteht Ozon, wenn Sonnenlicht auf
Luftschadstoffe (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe) trifft. Um
dieses Ozon geht es, wenn man von Ozonalarm, Ozonbelastung oder Sommersmog spricht. Ozon entsteht auch
durch Hochspannung (bei alten Kopierern und Laserdruckern, bei Experimenten mit Influenzmaschinen) und ist
dann durch seinen stechenden Geruch wahrnehmbar.
– In 15–25 km Höhe über der Erdoberfläche befindet sich
eine zweite Schicht. Sie entsteht, wenn kurzwelliges
ultraviolettes Licht auf Sauerstoff trifft. Dabei wird die
kurzwellige UV-Strahlung absorbiert. Das gilt vor allem
für die UV-Strahlung mit Wellenlängen von 280–315 nm.
Diese UV-Strahlung wird als UV (B) - Strahlung bezeichnet. Die langwelligere UV- Strahlung, die von der Ozonschicht weitgehend hindurchgelassen wird, nennt man
dagegen UV (A) - Strahlung. Es ist die Strahlung, die z. B.
die Bräunung der Haut hervorruft.
Das in der Atmosphäre entstehende Ozon zerfällt allmählich wieder. Es bildet sich Sauerstoff. Insgesamt ist
die Ozonschicht in der Atmosphäre eine Schicht, die die
Erdoberfläche und damit auch den Menschen vor kurzwelliger UV-Strahlung schützt.
b) Zur Bedeutung von FCKW für die Ozonschicht
Die Dicke der Ozonschicht in der Atmosphäre ist nicht
konstant. Sie ändert sich ständig durch verschiedene
natürliche Prozesse. Aber auch einige chemische Stoffe,
die in der Technik genutzt und bei technischen Prozessen
freigesetzt werden, bewirken den Abbau von Ozon in der
Atmosphäre. Das hat zu einer allgemeinen Verringerung
der Ozonschicht geführt. Solche „Ozonkiller“ sind insbesondere Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Stickoxide und Halone mit Chlor als besonders wirksamem
Bestandteil.
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) ist eine Sammelbezeichnung für niedermolekulare Kohlenwasserstoffverbindungen (Alkane), deren Bindungen meist vollständig
durch Chlor und oder Fluor, in selteneren Fällen auch
durch Wasserstoff und oder Brom gesättigt sind. Zu den
höhermolekularen chlorierten Kohlenwasserstoffen zählen die Verbindungen, die im Molekül wenigstens ein
Chloratom besitzen und einen relativ komplexen Aufbau
haben (Anzahl der Kohlenstoffatome größer 5). Sie eignen sich einzeln oder als Gemische als Kältemittel für
Kühlschränke, als Feuerlöschmittel, Lösemittel für die chemische Reinigung, zum Verschäumen von Kunststoffen
und als Treibmittel für Aerosole (Sprays).
Trotz aller Vorteile werden die FCKW aufgrund ihrer zerstörenden Wirkung auf die Ozonschicht der Erde fast
nicht mehr eingesetzt und durch andere Stoffe ersetzt,
z. B. durch Methan, Propan, Butan, Kohlenstoffdioxid,
Lachgas und chlorfreie Fluorkohlenwasserstoffe. Die
meisten dieser Ersatzstoffe weisen erhebliche technische
Nachteile gegenüber den FCKW auf (leichtere Brennbarkeit, bessere Wärmeleitung, Abwasserbelastung).
c) Zur Wirkung der UV-Strahlung und Tipps für sinnvolle
Verhaltensweisen
Die Sonne ist ein natürlicher UV-Strahler. UV-Strahlung
hat sowohl positive als auch negative Wirkungen auf die
menschliche Gesundheit.
Positive Wirkungen:
UV-Strahlen wirken keimtötend und steigern unsere
Abwehrkräfte gegenüber Krankheiten. Sogar bei einigen
Hautkrankheiten können sie die Heilung unterstützen.
Negative Wirkungen:
Sauerstoff und Ozon der Erdatmosphäre filtern den weitaus größten Teil der UV-Strahlen aus dem Sonnenlicht,
bevor es die Erdoberfläche erreicht. Trotzdem ist die UVStrahlung im Gebirge und am Strand besonders stark. Es
empfiehlt sich, die Augen vor dieser intensiven UV-Strahlung durch eine Sonnenbrille zu schützen.
Da sich ultraviolettes Licht in seinen Eigenschaften und
Wirkungen stark unterscheidet, teilt man es in UV(A),
UV(B) und UV(C) ein.
Das kurzwellige UV(C) wird durch die Ozonschicht in der
Atmosphäre weitgehend absorbiert und gelangt nicht bis
zur Erdoberfläche.
Das UV(B) wird durch die Atmosphäre und auch durch
Wolken zu etwa 90 % absorbiert. Ein kleiner Teil gelangt
bis zur Erdoberfläche. Dieser Teil der UV-Strahlung hat
eine erhebliche biologische Wirkung vor allem auf die
menschliche Haut. Akute Wirkungen sind Sonnenbrand
und Bindehautentzündung der Augen. Längerfristige
Wirkungen von UV(B) können darin bestehen, dass Hautkrebs (Melanom) entsteht und die Haut vorzeitig altert.
Das langwellige UV(A) gelangt zum größten Teil bis zur
Erdoberfläche. Es bewirkt vor allem eine Bräunung der
Haut.
Da UV-Strahlung schädliche Wirkungen haben kann,
sollte man sich vor übermäßiger UV-Strahlung schützen.
Wichtige Maßnahmen sind:
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
• Nie ohne Augenschutz in die Sonne blicken!
• Kleinkinder mit besonders empfindlicher Haut vor
intensiver Sonnenstrahlung schützen!
• Haut langsam an eine intensive Sonnenstrahlung
gewöhnen.
• Langes Sonnenbaden unbedingt vermeiden! Sonnenbrand ist schädlich und durch vernünftiges Verhalten
zu vermeiden.
• Sonnenschutzmittel verwenden, wenn man sich längere Zeit in der Sonne aufhalten will oder muss!
Die Belastung von Personen mit UV-Licht an der Erdoberfläche wird durch den UV-Index (Abkürzung: UVI) erfasst.
International ist festgelegt:
Der UVI entspricht dem Vierzigfachen vom täglichen
gemittelten Spitzenwert der sonnenbrandwirksamen
Bestrahlungsstärke am Erdboden.
Der UVI wird in ganzen Zahlen angegeben und liegt zwischen 1 und 12. Die höchsten Werte für den UVI liegen in
Deutschland im Sommer bei 8. Für die Bewertung der
Wirkungen bei einem bestimmten UVI gilt:
UVI
UV-Belastung Sonnenbrand Schutzmaßnahmen
1
niedrig
unwahrscheinlich
2-4
mittel
in 40 - 80 min empfehlenswert
5-7
hoch
in 20 - 30 min erforderlich
sehr hoch
weniger als
20 min
über 7
nicht erforderlich
unbedingt
erforderlich
Ob und in welcher Zeit ein Sonnenbrand auftritt, hängt
auch entscheidend davon ab, ob die Haut schon an Sonnenstrahlung gewöhnt ist und welcher Hauttyp vorliegt.
Unterschieden wird dabei zwischen den Hauttypen I (sehr
helle Haut, rötliche Haare, wird niemals braun) bis IV (hellbraune Haut, dunkle Haare, kaum Sonnenbrand).
5. Die verschlossene Flasche wird zusammengedrückt. Wird das
warme Wasser ausgegossen, strömt Luft nach, die sich am
Wasser und an den Gefäßwänden sofort erwärmt. Durch das
Erwärmen dehnt sich die Luft aus. Wenn sich die Luft in der
verschlossenen Flasche abkühlt, dann verringert sich ihr
Volumen. Dadurch ist der Druck in der Flasche kleiner als der
äußere Luftdruck. Weil die Plastikflasche verformbar ist, wird
sie durch den stärkeren äußeren Luftdruck zusammengedrückt.
6. Beim Einkochen werden Obst bzw. Gemüse, Flüssigkeit und
die Luft in den Gläsern stark erhitzt und dehnen sich aus. Ein
Teil der Luft entweicht aus den Gläsern. Beim Abkühlen verringert sich das Volumen des Einkochguts und der verbliebenen Luft. Der Druck im Inneren ist dann viel kleiner als der
Luftdruck der Umgebung. Deshalb presst der äußere Luftdruck die Deckel ganz fest an die Gläser, die so fest verschlossen sind.
7. a) Das heiße Wasser erwärmt das Glas und die Luft in ihm.
Dadurch dehnt sich die Luft im Glas aus und ein Teil entweicht. Jetzt stülpt man das Glas neben die Münze in das
Gefäß. Beim Abkühlen der Luft im Inneren des Glases verringert sich ihr Volumen. Es entsteht ein Unterdruck.
Durch diesen Unterdruck wird das Wasser in das Glas
gesaugt.
59
b) Der Trick gelingt auch dann, wenn man in das Gefäß ein
brennendes Teelicht stellt und ein Glas über das Teelicht
stülpt. Die Kerze wird wegen Sauerstoffmangels erlöschen, aber vorher hat sie die Luft im Glas genügend
erwärmt, sodass ein Teil ausströmt. Beim Abkühlen entsteht ein Unterdruck. Das Wasser wird ins Glas gesaugt
und die Münze frei gelegt.
8. Mit Saugnäpfen kann ein geringerer Luftdruck erzeugt werden, als er in der Umgebung herrscht. Er wird als Unterdruck
bezeichnet. Dieser erzeugt die Saugwirkung. Auf einer glatten Fläche, z. B. einem Spiegel, kann der Saugnapf sehr eng
an die Unterlage angepresst werden. Dadurch kann keine Luft
wieder nachströmen. Bei rauen Flächen gelingt das nicht so
gut oder gar nicht, weil nicht alle Luft herausgepresst werden
kann bzw. wieder etwas Luft nachströmen kann.
9. Roboterarme sind mit Vakuumsaugnäpfen ausgestattet. Da
die Luft zwischen Saugnapf und Transportgut herausgesaugt
wird, kann der Luftdruck voll wirken.
Es gibt z. B. Reinigungsroboter für Glasfassaden, die sich
selbststeuernd und mithilfe von Saugnäpfen in die Höhe
bewegen und dabei Fassaden reinigen.
Roboter mit Vakuumsauggreifern werden zunehmend beim
Verpacken und Palettieren (z. B. von Leergutkästen) eingesetzt. Sie können Lasten von mehreren Hundert Kilogramm
bewegen.
Tischschraubstöcke mit Vakuumsaugnäpfen halten z. B. Leiterplatten, die dann weiter bearbeitet werden können.
10. Der Atmosphärendruck beträgt pMars = pErde/160 = 1 013 hPa/
160 = 6,33 hPa. Das sind weniger als 1 % (0,62 %) des Luftdrucks auf der Erde.
11. Das Atmen ist mit einer bestimmten Atemtechnik verbunden
und erfolgt mittels bestimmter Organe. Der Mensch belüftet
seine Lungen – wie alle Säugetiere – durch eine Vergrößerung des Lungenvolumens. Das Ausatmen erfolgt durch die
Verkleinerung des Lungenvolumens.
Das Einatmen wird durch Kontraktion der Zwischenrippenmuskulatur und des Zwerchfells ausgelöst. Dabei hebt sich der
Brustkorb und der Brustraum wird nach unten ausgedehnt
und vergrößert. Dadurch fällt der Druck in der Lunge unter
den atmosphärischen Luftdruck, sodass Luft eingesaugt wird.
Umgekehrt erfolgt das Ausatmen, wenn Zwischenrippenmuskulatur und Zwerchfell erschlaffen. Das Lungenvolumen wird
kleiner.
12.
Bestandteile
Anteil in der
Einatemluft in %
Sauerstoff
Kohlenstoffdioxid
Anteil in der
Ausatemluft in %
21
17
0,03
4,03
Stickstoff
78
78
Edelgase
0,97
0,97
4 % des Sauerstoffs der eingeatmeten Luft wird verbraucht.
Bei der Zellatmung (innere Atmung) wird 4 % Kohlenstoffdioxid gebildet. Die anderen Bestandteile bleiben unverändert.
13. a) Der Sauerstoff diffundiert durch die Haut der Lungenbläschen in das Kapillarnetz, wird über Blutgefäße zum Herzen und von dort weiter durch den Körper transportiert.
Er wird zur Aufrechterhaltung aller Lebensvorgänge
benötigt, wie Transport von Stoffen, Wachstum und
Bewegung, Bildung von Wärme. Die dazu erforderliche
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
Energie entsteht bei der biologischen Oxidation von Stoffen in den Zellen, der so genannten inneren Atmung bzw.
Zellatmung. Aus energiereicher Glucose und Sauerstoff
entstehen durch Oxidation energiearmes Kohlenstoffdioxid und Wasser.
b) Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Zellatmung (siehe a)).
Es diffundiert aus den Zellen in die Kapillaren, wird im
Blut an Hämoglobin gebunden transportiert und in der
Lunge von den Kapillaren an das Innere der Lungenbläschen abgegeben. Letztendlich wird Kohlenstoffdioxid
ausgeatmet.
14. a) z. B. l = 10 m, b = 7 m, h = 3,7 m; V = 259 m3, wenn das
Volumen aller Körper im Zimmer vernachlässigt wird.
Angenommen, es befinden sich 28 Schüler und ein Lehrer
im Klassenraum, dann steht jedem ein Luftvolumen von
ca. 9 m3 zur Verfügung.
b) Würde jeder Person ein Volumen von 10 m3 zur Verfügung stehen, wäre der Wert von 1 500 ppm schon nach
40 Minuten überschritten. Bei 9 m3 ist der Wert bereits
nach 36 Minuten überschritten. Es ist unbedingt während einer Schulstunde zu lüften und nicht erst die Pause
abzuwarten!
15. Samen: Hahnenfußgewächse, Schmetterlingsblütengewächse
Früchte: Linde, Ahorn
Pollen: Kiefer, Gräser, Birken
16. Vorderextremitäten als Flügel ausgebildet: Voraussetzung
zum Erzeugen eines dynamischen Auftriebs, vergleichbar mit
Tragflächen eines Flugzeugs
Verstellbare Schwungfedern: Vergrößern die Fläche der Flügel (Arm- und Handschwinge), erleichtern das Starten und
Landen. Bei Ruderfliegern wie die Taube und der Storch bilden die Arm- und Handschwingen beim Abwärtsschlag eine
geschlossene Fläche, die luftundurchlässig ist. Sie werden
nach oben und vorn gedrückt. Beim Flügelschlag aufwärts
werden die Handschwingen im Handgelenk abgeknickt.
Dadurch verringert sich die Fläche des Flügels. Sie wird luftdurchlässig. Gleichzeitig wird der Flügel so an den Körper
gedreht, dass der Luftwiderstand des Vogels gering ist.
Spindelform des Körpers: geringe Luftwiderstandszahl
hohle Knochen: geringe Gewichtskraft
breiter Brustbeinkamm mit kräftiger Flugmuskulatur:
schnelle und ausdauernde Flügelbewegung
Lunge mit Lungensäcken: Lungensäcke sind sackartige Fortsetzungen der Lungen. Sie liegen auch zwischen dem Eingeweide, den Muskeln und in den hohlen Knochen. Durch
zusätzliches Luftvolumen erfolgt eine gute Versorgung mit
Sauerstoff.
17. Flugfähige Vögel haben annähernd einen stromlinienförmigen Körper. Die Luftwiderstandszahl wird deshalb bei ca.
0,06 liegen.
20. a) Erkundungsauftrag
b) Natürliche Entstehung von Stoffen, die zu Luftschadstoffen werden können:
Kohlenstoffdioxid u. a. durch Waldbrände, Vulkane, biologischen Abbau und die Atmung
Stickstoffoxide u. a. durch Blitze, Vulkane und Waldbrände
Aerosole und Stäube u. a. durch Sandstürme, Tierbewegungen, Meeresgischt, Vulkane
Antropogene Quellen:
Schwefeldioxid u. a. durch Verbrennen von schwefelhaltiger Kohle und Erdöl, Abrösten sulfidischer Erze
Methan u. a. durch Tierhaltung und Mülldeponien
Kohlenstoffmonooxid u. a. durch Verbrennung fossiler
Brennstoffe in Verbrennungsmotoren
Die Wirkungen der Luftschadstoffe sind abhängig von der
Konzentration und der Dauer ihrer Einwirkung.
Wirkung von Luftschadstoffen auf Mensch und Tier:
– Schwefeldioxid: Reizung von Haut und Schleimhäuten,
Nasennebenhöhlenentzündungen und Atemwegserkrankungen, Lungenschädigung bei längerer Einwirkung
– Stickstoffoxide: chronische Bronchitis mit Lungenschädigung bei längerer Einwirkung
– Kohlenstoffmonooxid: Beeinträchtigung des Kreislaufsystems, Kopfschmerzen, Übelkeit, Schwindel, Ohrensausen, Beeinträchtigung der Aufmerksamkeit
– Ozon: Reizerscheinungen an den Schleimhäuten, Atembeschwerden, verminderte Leistungsfähigkeit, Krebs
erregende Wirkungen
– Feinstaub: Atemnot und Reizhusten
– Blei, Cadmium, Arsen im Staub: chronische Atemwegserkrankungen oder Vergiftungserscheinungen
– Asbest im Staub: Krebs erregende Wirkung
Wirkung von Luftschadstoffen auf Pflanzen:
– Schwefeldioxid: Verkrüppelung, Verkohlung, Absterben
und Zwergwuchs bei Bäumen und Sträuchern; Absterben von Blättern, erhöhte Schädlingsanfälligkeit
– Stickstoffoxide: Abnahme der Assimilationsfähigkeit,
erhöhter Blattabwurf, Wachstumshemmungen, Qualitätsverluste bei Früchten
– Kohlenstoffmonooxid: keine Schadwirkung bekannt
– Ozon: Braunfärbung der Blätter, Absterben von Pflanzenteilen
– Staub: Stoffwechselschädigung durch Lichtmangel
21. Es ist empfehlenswert, die Proben an Orten mit vermutlich
unterschiedlicher Staubbelastung aufzustellen, z. B. verkehrsreiche Straße, Schulhof, Park.
Zur Verringerung der Staubbelastung eignen sich z. B. Pflanzungen. Die Blätter haben eine große Oberfläche, an der
sich der Staub ablagern kann. Bei Regen wird er in den
Boden gewaschen und schwebt nicht mehr in der Luft.
18. Internetrecherche
19. Feinstaub (PM 10) in µg/m3, Schwefeldioxid in µg/m3, Ozon in
µg/m3, Stickstoffmonooxid in µg/m3, Stickstoffdioxid in µg/m3,
Benzol in µg/m3, Kohlenstoffmonooxid in g/m3
meteorologische Komponenten (Temperatur, Windstärke,
Windrichtung)
22. Die Wirkung des Schwefeldioxids wird deutlich an folgenden
Schadbildern:
Keimende Pflanzen werden abgetötet bzw. in ihrer Entwicklung gestört, Blätter hellen sich auf und verfärben sich
braun, Pflanzen kümmern oder sterben ab.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
23. Das Wort Smog steht für Luftverschmutzung. Die Gase
Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonooxid und Stickstoffdioxid
verursachen gemeinsam mit anderen Luftbestandteilen, vor
allem auch mit Wasserdampf (Nebel) eine Erscheinung, die
Smog (genauer Wintersmog) genannt wird. Der Begriff
kommt aus dem Englischen. Er beschreibt die gelblich weiße
Mischung aus Rauch (smoke) und Nebel (fog). Konzentriert
tritt Smog in Bereichen mit hoher Konzentration an Abgasen
und bei Inversionswetterlagen auf (warme Luft befindet sich
über kalter). Nicht selten ist über großen Städten und Industrieanlagen eine Dunstglocke zu beobachten, ein sichtbares
Zeichen für Luftverschmutzung.
Mit Sommersmog ist eine verstärkte Bildung von bodennahem Ozon gemeint, einem stechend riechenden, reaktionsfreudigen Gas, das aus drei Sauerstoffatomen besteht.
Dieses Ozon entsteht, wenn Sonnenlicht auf Luftschadstoffe
(Stickoxide, Kohlenwasserstoffe) trifft, die vor allem von
Kraftfahrzeugen an die Umwelt abgegeben werden.
Wintersmog entsteht bei austauscharmen Wetterlagen und
hoher Luftverschmutzung, die u. a. durch das Heizen hervorgerufen wird.
Als Durchschnittswerte in Deutschland werden heute Werte
von 40-50 Mikrogramm je Kubikmeter angegeben. Inzwischen gibt es auch gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte
für Ozon:
– 180 µg/m3 ist der Schwellenwert, bei dem eine Information der Bevölkerung erfolgen muss.
– 240 µg/m3 ist der Wert bei dem weitergehende Maßnahmen ergriffen werden müssen (z.B. Geschwindigkeitsbegrenzung, Fahrverbote)
– 360 µg/m3 bedeutet Gefahren für die Gesundheit.
61
4. a)
J in °C
100
80
60
40
20
10
20
30
40
t in min
b) 18 min
c) 32 °C
5. a)
h in km
4
3
Der bisher höchste Wert in Deutschland wurde 1976 in
Mannheim mit 543 Mikrogramm je Kubikmeter gemessen.
Aktuelle Werte verschiedener Orte kann man im Internet bei
den Landesumweltämtern abrufen.
2
1
24. Entstehung: Reaktion von Schwefeldioxid (Verbrennung von
Kohle und Erdöl, Vulkanausbrüche) und Stickstoffoxiden (Verkehr, Verbrennung fossiler Brennstoffe, Blitze) mit Wasser
Wirkungen: Waldsterben und Zerstörung der „Außenhaut“
von Gebäuden
25. Mithilfe von Gasspürpumpen und speziellen Gasspürröhrchen lässt sich die Konzentration gasförmiger Stoffe in der
Luft erkunden. Bei dem abgebildeten Gerät sind beide Spitzen der Prüfröhrchen mit der an der Pumpe vorhandenen
Abbrechöse zu entfernen. Dann ist das Röhrchen auf die
Gasspürpumpe mit Pfeil zur Pumpe aufzusetzen. Durch
Zusammendrücken des Balgs der Pumpe wird das Gasmessgerät betätigt und anschließend losgelassen. Dabei ist die in
der Vorschrift angegebene Hubzahl für das jeweilige Röhrchen zu beachten. Das Ergebnis ist direkt am Röhrchen abzulesen. Als Standorte sind z. B. Straßenkreuzungen, Spielplätze, Parks und auch Innenräume geeignet.
Thermische Energie
Thermische Energie und Wärme (LB S. 57– 58)
– 10
10
J in °C
b) ho = 2,7 km
c) J = 11 °C
6. Es existiert eine tiefstmögliche Temperatur. Sehr hohe Temperaturen sind dagegen möglich.
7. Temperatur im Innern der Sonne: 16 Mio. °C; 16 Mio. K
Temperatur an Sonnenoberfläche: ca. 6 000 °C; 6 273 K
8. Beide Meldungen falsch, da –273 K die tiefstmögliche Temperatur ist.
9. Erkundungsaufgabe:
Lufttemperatur in Deutschland: – 45,8 °C bis 40,8 °C
Lufttemperaturen weltweit: – 89,2 °C bis 58 °C
10. a) Zufuhr von Wärme von der Heizplatte,
Zufuhr von Wärme durch Sonnenstrahlen,
Verrichten von Reibungsarbeit am Topf,
Mischen mit Wasser höherer Temperatur.
b) Die Temperatur von Wasser erhöht sich, da sich die thermische Energie des Körpers vergrößert.
1. –253 °C; –100 °C; 5 °C; 84 °C; (mit 273 K = 0 °C)
2. 523 K; 373 K; 298 K; 263 K; 63 K
3. J2 – J1 : –15 K; –46 K; 23 K; 55 K; 15 K
11. Die Temperatur des Tees ist höher als die Temperatur der
Umgebung. Der Tee hat eine höhere thermische Energie und
ist deshalb in der Lage, Wärme an seine Umgebung (Tasse,
Luft, Tisch usw.) abzugeben. Dadurch nimmt die thermische
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
Energie des Tees ab, seine Temperatur sinkt. Die Temperatur
und die thermische Energie der Umgebung steigen. Die Wärmeabgabe ist bei Temperaturausgleich beendet.
12. Natur: Sonne; Kernenergie – thermische Energie
Waldbrand; chemische Energie – thermische Energie
Technik: Schweißbrenner; chemische Energie – thermische
Energie
Alltag: Gasheizung; chemische Energie – thermische Energie
Bügeleisen; elektrische Energie – thermische Energie
13. Die Aussage ist richtig. Bei mechanischen Vorgängen, z.B.
Reiben, Bohren und Sägen wird mechanische Energie in
thermische Energie umgewandelt und in Form von Wärme
an die Umgebung abgegeben.
14. Je größer die Temperaturdifferenz, desto größer die aufgenommene oder abgegebene Wärme, wenn Masse und Stoff
konstant bleiben.
Je größer die Masse, desto größer die aufgenommene oder
abgegebene Wärme, wenn der Stoff und die Temperaturänderung konstant bleiben.
Je größer die spezifische Wärmekapazität des Stoffes, aus
dem der Körper besteht, desto größer die aufgenommene
oder abgegebene Wärme, wenn die Masse und die Temperaturänderung konstant bleiben.
15. Es handelt sich um Quecksilber:
cHg = 0,14 kJ/(kg · K), cH2O = 4,19 kJ/(kg · K), cH2O = 30 · cHg
rHg = 13,53 g/cm3, rH2O = 1,00 g/cm3, rH2O = 1/14 · rHg
16. Große Wassermassen kühlen relativ langsam ab (Q ~ m, wenn
∆T = konst). Außerdem hat Wasser eine große spezifische Wärmekapazität (Je größer c, desto größer Q, wenn ∆T = konst.
und m = konst.). Sie ist um das Vierfache größer als die von
Luft. Deswegen hat sich die Luft nach 2 kühlen Tagen mehr
abgekühlt als das Wasser.
17. a) Q = m · c · ∆T; Q = 0,5 kg · 4,19 kJ/(kg · K) · 8,5 K = 17,8 kJ
b) Die thermische Energie des Wassers ändert sich um den
gleichen Betrag.
18. Q = m · c · ∆T; Q = 0,5 kg · 4,19 kJ/(kg · K) · 7,5 K = 15,7 kJ
In einer Minute gibt die Gasflamme eine Wärme von 31,4 kJ
ab.
19. Nach dem Aufgang der Sonne wird schnell eine hohe Temperatur in den Wüstengegenden erreicht. Der Sand kann nur
einen geringen Teil der Energie der Sonnenstrahlung aufnehmen und gibt die meiste Energie an die Umgebung ab.
Nach dem Untergang der Sonne wird es schnell kalt, weil die
im Sand gespeicherte Energie wegen der kleinen spezifischen Wärmekapazität gering ist.
22. a)
Q in kJ
25
Q1
20
15
Q2
10
5
1
2
3
4
5
∆T in K
b) Flüssigkeit 1: Wasser, weil für m = 1 kg
Q/∆T ≈ 4,2 kJ/ K ist.
Flüssigkeit 2: Ethanol bzw. Glyzerin, weil für m = 1 kg
Q/∆T ≈ 2,4 kJ/K ist.
Thermische Energie und Aggregatzustandsänderungen (LB S. 67)
1. Aggregatzustandsänderungen in der Natur:
– Regenwasser verdunstet.
– Wasser kondensiert, es bilden sich Wolken.
– Schnee und Eis schmelzen.
– Lava eines Vulkans erstarrt.
– Wasser gefriert zu Eis.
Aggregatzustandsänderungen im Haushalt:
– Aus Wasser werden im Tiefkühlfach Eiswürfel.
– Schokolade für Glasuren wird durch Erwärmen flüssig
gemacht.
– Bei einer brennenden Kerze wird ein Teil des Kerzenwachses flüssig.
– Beim Kochen von Kartoffeln verdampft Wasser.
2. a) Physikalisch gesehen, handelt es sich immer um denselben Stoff, nämlich Wasser.
b) Dass Regentropfen aus Wasser bestehen, ist einleuchtend.
Wasserdampf ist Wasser, das verdampft ist, und Eiszapfen
sind gefrorenes Wasser. Wasser kommt in verschiedenen
Zuständen vor: gasförmig, flüssig und fest.
20. Q = m · c · ∆T
Q = 1000 kg · 0,46 kJ/(kg · K) · 880 K = 404,8 MJ
3. Die Wintersonne verdunstet viel Wasser, das sich in den
unzähligen Nadeln befindet. Wenn der Nachschub mit Wasser aus den Wurzeln nicht ausreicht, dann vertrocknen die
Koniferen. Gründliches Wässern im Spätherbst versorgt die
Wurzelballen und alle Pflanzenteile reichlich mit Wasser, um
einen Vorrat anzulegen.
21. a) Angegeben ist der Zusammenhang zwischen der zugeführten Wärme Q und der Temperaturänderung ∆T. Es
besteht direkte Proportionalität.
b) c = Q/(m · ∆T); c = 4 kJ/(0,2 kg · 8 K) = 2,5 kJ/(kg · K)
4. Durch die Schweißabsonderung wird die Haut feucht. Die
Feuchtigkeit auf der Haut verdunstet. Zum Verdunsten ist
Wärme erforderlich. Diese Wärme wird der Haut und Umgebung entzogen. Der Körper wird gekühlt.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
5. Britta hat recht! Bei Aggregatzustandsänderungen erhöht
sich die Temperatur nicht.
6. qV = 2 256 kJ/kg.
m = 275 kJ/kg / 2 256 kJ = 0,122 kg
Mit dieser Wärme könnte man 122 g Eisen schmelzen.
7. Die meisten Säugetiere haben keine Schweißdrüsen, nutzen
aber die Verdampfungswärme zur Kühlung. Hunde hecheln.
Dabei verdunstet Flüssigkeit auf den Riechschleimhäuten.
Bienen verteilen Wassertröpfchen auf den Bienenwaben.
Durch das Verdunsten des Wassers erreichen sie, dass die
Temperatur im Bienenstock 36 °C nicht überschreitet und
sichern so die Aufzucht ihrer Larven.
8. Wenn das Wasser auf der Haut nach dem Baden sehr schnell
verdunstet, z. B. durch hohe Lufttemperatur und Wind, dann
wird der Haut Wärme entzogen, die der Körper nicht so
schnell „nachliefern“ kann. Man friert.
9. Durch das Streusalz wird der Gefrierpunkt des Wassers
erniedrigt. Er liegt dann unter 0 °C. Die Salzkörnchen lagern
sich zwischen die Wasserteilchen und erschweren den Aufbau von Eiskristallen. Die Lösung bleibt deshalb bis weit
unter der Gefriertemperatur von reinem Wasser flüssig.
10. Ein Teil der Wärme, die das Bügeleisen abgibt, wird zum Verdampfen des Wassers in den Tüchern benötigt. An das empfindliche Material gelangt nur ein Teil der Wärme.
11. In der Luft befindet sich immer Wasserdampf. Wenn man aus
kalter Winterluft in einen warmen Raum kommt, dann kondensiert Wasserdampf an den kalten Brillengläsern. Sie
beschlagen. Der Effekt ist besonders stark, wenn die Temperaturunterschiede groß und die Luftfeuchtigkeit im warmem
Raum hoch ist.
12. a) Q = m · c · ∆T; Q = 0,1 kg · 4,19 kJ/(kg · K) · 18 K = 7,54 kJ
b) Damit 1 kg Wasser zu Eis erstarrt, sind ihm 334 kJ zu entziehen. Bei 0,1 kg sind das Q = 33,4 kJ.
13. In einem Schnellkochtopf kann der Dampf nicht entweichen.
Dadurch steigen der Druck und die Temperatur. Das Wasser
siedet erst bei über 100 °C. Dadurch werden die Speisen
schneller gar. Das spart Zeit. Außerdem wird weniger elektrische Energie bzw. Stadtgas benötigt. Das spart Geld.
14. Erdgas wird nicht nur durch Rohrleitungen transportiert,
sondern wird auch verflüssigt und gelangt in Tankern aus
entfernten Regionen zu uns.
Verflüssigen nennt man den Übergang von Stoffen vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Erdgas wird
dabei auf etwa –160 °C abgekühlt und wird dadurch flüssig.
Sein Volumen verringert sich auf den sechshundertsten Teil.
So wird aus 600 Litern Erdgas im gasförmigen Zustand 1 Liter
flüssiges Erdgas.
Diese Verringerung des Volumens effektiviert den Transport.
Flüssiggastanker können ca. 130 000 000 Liter fassen.
63
grafische Aufnahme die Temperaturverteilung bei dem
betreffenden Körper zu erkennen und daraus Folgerungen
abzuleiten.
Besonders gering ist die Wärmedämmung im Bereich des
Übergangs vom Keller in das Haus und von den Räumen zum
Dach sowie im Bereich der Tür und der Fenster.
Die Wärmedämmung kann durch Wärmeisolierglas, Matten
aus Glaswolle, Dichtungen der Fenster und Türen verbessert
werden.
2. Die Empfehlungen zielen darauf ab, dass man sich zum
einen in den Räumen wohl fühlt und zum anderen sinnvoll
mit Energie umgegangen wird.
Empfohlen werden:
– für Wohnräume und Bad ca. 22 °C
– für Schlafräume ca. 18 °C
– für Räume, in denen man sich in der Regel nur kurze Zeit
aufhält (Flur, Küche): ca. 18 °C.
3. Für die Verringerung der Wärmeleitung nach außen gibt es
unterschiedliche Möglichkeiten:
– Anbringen einer wärmeisolierenden Schicht an der
Außenwand eines Hauses.
– Einbau von wärmeisolierenden Fenstern.
– Isolierung des Daches von innen mit einer wärmeisolierenden Schicht, z. B. aus Glaswolle.
Als Dämmstoffe werden Stoffe verwendet, die viel Luft einschließen und damit die Wärme sehr schlecht leiten. Genutzt
werden meist Platten aus Styropor und Matten aus Glaswolle.
Bei Fenstern verwendet man dünn beschichtetes Glas, durch
das Strahlung bestimmter Wellenlängen absorbiert wird.
4. Bau eines Modellhauses
5. Experiment
6. Wärmeströmung nach außen kann man vor allem durch
dichte Fenster und Türen verhindern, wobei allerdings durch
den notwendigen Luftaustausch eine Wärmeströmung
grundsätzlich nicht vermeidbar ist. Dieser Luftaustausch
sollte aber energetisch günstig erfolgen. Das bedeutet: Kurzes und intensives Lüften ist energetisch günstiger als ständig das Fenster offen zu lassen. Wärmestrahlung nach außen
spielt nur eine relativ geringe Rolle. Sie kann durch spezielle
Wärmeschutzfenster verringert werden.
7. Ein Luftaustausch ist unbedingt erforderlich. Beim kurzen
und intensiven Lüften wird im Wesentlichen nur die Luft ausgetauscht und damit auch Wärme von innen nach außen
transportiert. Die Gegenstände im Zimmer (Schränke,
Geschirr, Sofa, ...) sowie die Wände, Fußboden und Decke
kühlen sich nur geringfügig ab. Nach dem Schließen der
Fenster erwärmt sich die Luft schnell wieder auf eine angenehme Temperatur.
Bei ständig geöffnetem Fenster erfolgt ein ständiger Wärmeaustausch zwischen innen und außen. Es wird mehr Energie nach außen transportiert, demzufolge muss auch mehr
Energie für die Heizung aufgebracht werden, wenn man sich
im Zimmer wohl fühlen will.
Projekt: Wärmedämmung (LB S. 74–75)
1. Internetrecherche
Die Thermografie ist ein Verfahren, bei dem mithilfe von
speziellen Kameras die Wärmestrahlung sichtbar gemacht
wird, die von Körpern bzw. von technischen Objekten ausgeht. Da die Intensität und Zusammensetzung der Wärmestrahlung temperaturabhängig ist, ermöglicht eine thermo-
Übertragung von thermischer Energie (LB S. 79–80)
1. Gute Wärmeleiter sind alle Metalle, vor allem Körper aus Silber, Kupfer und Gold. Aber auch Legierungen, wie sie z. B.
für Böden moderner Kochtöpfe verwendet werden, sind
gute Wärmeleiter. Sie leiten die Wärme der Heizplatte mög-
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
lichst schnell weiter. Schlechte Wärmeleiter sind Luft, Glaswolle und Styropor. Sie werden deshalb zur Wärmedämmung genutzt.
2. Ohne Drahtnetz trifft die Flamme direkt auf bestimmte Stellen des Glasgefäßes. Infolge der Ausdehnung können im
Glas starke Spannungen entstehen, das Gefäß kann zerspringen. Verwendet man ein Drahtnetz, so wird die Wärme
wegen des guten Wärmeleitvermögens von Metallen „verteilt“. Die gesamte Bodenfläche des Glasgefäßes wird gleichmäßig erwärmt. Dadurch sind die im Glas auftretenden
Spannungen kleiner.
3. Das Zerplatzen kann verhindert werden, wenn man einen
Metalllöffel in das dicke Glas stellt. Dadurch wird ein Teil der
Wärme rasch aus der Flüssigkeit abgeleitet. Die Spannungen
im Glas werden verkleinert.
4. Isoliertaschen bestehen aus Schichten von Materialien, die
schlechte Wärmeleiter sind. Deshalb gelangt z. B. die Wärme
der Umgebung nicht an die gefrostete Kost. Oft haben sie
auch noch eine glänzende Hülle aus Aluminiumfolie, die
außerdem die auftreffende Wärmestrahlung gut reflektiert.
5. Die Luft wird durch einen Ventilator in Bewegung gebracht,
strömt durch die Heizspiralen hindurch, wird dabei erwärmt
und strömt zu den Haaren. Durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit kann die Wärmeströmung verstärkt werden.
6. Füchse und Wölfe schützen sich im Winter mit einer Speckschicht und einem dichten Winterfell vor der Kälte. Damit
verhindern sie den Wärmeaustausch mit der Umgebung und
können ihre Körpertemperatur aufrechterhalten. Vögel plustern ihr Gefieder auf und bekommen viele feine, luftige
Flaumfedern. Die Luft zwischen den Federn ist ein schlechter
Wärmeleiter. Um eine Überhitzung des Körpers zu vermeiden, hecheln z.B. die Hunde. Krokodile halten das Maul weit
geöffnet, Elefanten bespritzen sich mit Schlamm, Wildschweine suhlen sich im Dreck. Felle und Gefieder schützen
nicht nur vor niedrigen, sondern auch vor hohen Temperaturen. Darüber hinaus schützen sich die Tiere durch geringe
körperliche Aktivität und durch Schwitzen.
7. Über dem Heizkörper wird die Luft erwärmt, steigt nach
oben und strömt schließlich am Fußboden zurück in Richtung Heizung (siehe Skizze).
Fenster
Luftströmung
8. In einer lockeren Schneedecke befindet sich Luft. Luft ist ein
schlechter Wärmeleiter. Die lockere Schneedecke stellt damit
einen guten Schutz der Pflanzen vor starkem Frost dar, da
mit dieser Schneedecke eine „Isolierschicht“ zwischen der
sehr kalten Luft oberhalb der Schneedecke und den Pflanzen
vorhanden ist.
9. Im Motor entsteht durch das Verbrennen von Benzin viel
Wärme, die abgeleitet werden muss. Beim Motorrad wird
durch die Kühlrippen aus Aluminium die zu kühlende Fläche
wesentlich vergrößert. Aluminium ist ein guter Wärmeleiter.
Dadurch kann durch die Luft, die diese Kühlrippen
umströmt, mehr Wärme abgeleitet werden.
10. Das Kühlwasser umströmt die Zylinder, in denen Benzin verbrannt wird. Es nimmt dort Wärme auf. Eine Pumpe, die
Wasserpumpe, sorgt dafür, dass das heiße Wasser zum Kühler strömt. Im Kühler läuft das Wasser durch dünne Röhren
nach unten. Dabei wird es durch den Fahrtwind bzw. durch
Luft, die von einem Ventilator kommt, gekühlt. Es gibt die
Wärme an die Luft ab. Das abgekühlte Wasser strömt zurück
in den Raum um die Zylinder.
11. Entscheidend ist bei den Kleidungsstücken, dass sich in ihnen
bzw. unter ihnen Luft befindet. Luft ist ein sehr schlechter
Wärmeleiter. Wenn man einen dicken Pullover anzieht, wird
also wegen der darin enthaltenen Luft die Körperwärme nur
wenig abgeleitet. Damit bleibt der Körper warm. Meist ist
aber bei mehreren übereinander gezogenen Kleidungsstücken die Wärmeleitung zwischen Körper und Umwelt geringer. In diesem Fall befindet sich mehr Luft zwischen Körper
und Umwelt, sodass diese Variante zu bevorzugen ist.
Hinweis: Es gibt inzwischen eine Reihe von speziellen Materialien, die auch in sehr dünnen Schichten nur ein geringes
Wärmeleitvermögen haben.
12. Dunkle Stellen absorbieren mehr Strahlung der Sonne als
helle Stellen. Sie erwärmen sich dadurch mehr, der Schnee
schmilzt schneller.
13. a) Wasser, Feld und Wald erwärmen sich bei Sonneneinstrahlung unterschiedlich. Sandflächen oder Felder erwärmen sich relativ stark, Wald und Wasser weniger. Damit
wird auch die Luft über Sandflächen oder Feldern stärker
erwärmt als an anderen Stellen. Warme Luft steigt nach
oben, sie sinkt an kühleren Stellen, z. B. über Wasser oder
Wald, wieder nach unten. Es kommt dadurch zur Ausbildung von charakteristischen Luftströmungen.
b) Am Tag: Das Land erwärmt sich stärker als das Meer. Über
Land steigt die Luft nach oben, Luft vom Meer strömt nach.
In der Nacht: Das Wasser ist wärmer als das Land. Die Luft
über dem warmen Wasser steigt nach oben, Luft vom
Land strömt nach.
Heizung
Wärmekraftmaschinen (LB S. 91 – 92)
Damit wird die relativ kühle Luft am Fenster (Außenwand)
erwärmt. Auch die zum Heizkörper zurückströmende Luft ist
noch relativ warm. Würde sich der Heizkörper z. B. an der
anderen Zimmerwand (links) befinden, so würde die Luftströmung im Zimmer in der umgedrehten Richtung verlaufen. Am Fenster würde sich die Luft relativ stark abkühlen.
Der Raum wäre „fußkalt“. Hinweis: Bei sehr gut wärmeisolierten Häusern spielt der beschriebene Effekt nur noch eine
geringe Rolle.
1. Technik: Sägen und Feilen sind Beispiele für Vorgänge, bei
denen sich mechanische Energie teilweise in thermische
Energie umwandelt.
Natur: Meteorite dringen mit hoher Geschwindigkeit in die
Lufthülle der Erde ein und verdampfen.
2. Ja. Die eingeschlossene, erwärmte Luft verrichtet Arbeit am
Kolben. Durch die Erwärmung steigt der Druck in der Glaskugel. Da der Kolben beweglich ist, wird er nach oben verschoben. Die Luft verrichtet Arbeit. Dabei kühlt sie sich jedoch ab.
Die thermische Energie sinkt. Um dieselbe Temperatur und
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
dasselbe Volumen wie zu Beginn herzustellen, muss der Luft
durch Kühlung wieder Energie entzogen werden. Die Anordnung stellt vereinfacht das Prinzip einer Dampfmaschine dar.
65
11. Erkundungsaufgabe: Sie werden fast nur noch bei Lokomotiven für historische Züge genutzt.
12. Erkundungsaufgabe
3. a) Zufuhr von Wärme von der Heizplatte,
Zufuhr von Wärme durch Sonnenstrahlen,
Verrichten von Reibungsarbeit am Topf,
Mischen mit Wasser höherer Temperatur.
b) Die Temperatur von Wasser erhöht sich, da sich die thermische Energie des Körpers vergrößert.
4. Gemeinsamkeiten: Einheit; betragsmäßige Übereinstimmung von Änderung der thermischen Energie und übertragener Wärme
Unterschiede: thermische Energie beschreibt Zustand eines
Körpers, Wärme beschreibt den Vorgang der Energieübertragung zwischen Körpern (Prozessgröße)
5. Aufbau (Viertakt-Dieselmotor): Einlass- und Auslassventil,
Einspritzdüse, Zylinder, Kolben, Pleuelstange, Kurbelwelle
Wirkungsweise: Ansaugtakt: Kolben bewegt sich nach
unten, Luft wird angesaugt
Verdichtungstakt: Kolben bewegt sich nach oben, Luft wird
stark verdichtet, Dieselkraftstoff wird mit hohem Druck eingesprüht, entzündet sich von selbst
Arbeitstakt: Kraftstoff verbrennt, Gase dehnen sich aus und
treiben Kolben nach unten, Arbeit wird verrichtet und
Wärme abgegeben
Auspufftakt: Kolben bewegt sich nach oben und stößt
Abgase aus, Abkühlung
6. Gemeinsamkeiten
– Bei beiden wird Kraftstoff verbrannt.
– Beide haben 4 Takte.
– Bei beiden wird die Hin - und Herbewegung eines Kolbens
in eine Drehbewegung umgewandelt.
Unterschiede:
Beim Dieselmotor erfolgt die Zündung des Kraftstoff-LuftGemisches durch Kompression, beim Ottomotor durch den
elektrischen Funken einer Zündkerze.
7. a) 1,8 l
b) h = 32 %
8. Der Motor muss gekühlt werden, um die Ausgangsbedingungen wieder zu erreichen. Nur bei einer Temperaturdifferenz
kann Wärme abgegeben werden. Je größer diese Differenz
ist, desto wirkungsvoller arbeiten Wärmekraftmaschinen.
Kühlmittel sind Wasser und Luft.
9. a) Mögliche Maßnahmen sind:
– vorausschauendes Fahren,
– starkes Beschleunigen vermeiden,
– keine Maximalgeschwindigkeit fahren,
– keine unnötigen Gegenstände mitführen,
– Dachgepäckträger abbauen, wenn man ihn nicht benötigt,
– auf den richtigen Reifendruck achten.
b) Erkundungsaufgabe
10. In Dampfturbinen wird in einem Kessel heißer Wasserdampf
erzeugt (Q1, T1), der unter hohem Druck steht. Der Dampf
strömt sehr schnell aus Düsen auf Schaufeln von Turbinenrädern und setzt sie in Bewegung (Maschine). Die Turbinenräder treiben große Generatoren an (Nutzarbeit W). Die thermische Energie des Dampfes nimmt ab (Q2), seine
Temperatur sinkt (T2). Der Dampf wird langsamer.
13. a) kontinuierlicher Betrieb möglich; ortsunabhängig, höhere
Leistung
b) Dampfmaschinen ermöglichten u. a. den Betrieb anderer
Maschinen in Spinnereien und Webereien, Eisen- und
Walzwerken. Übergang von Manufakturen zur industriellen Produktion. Ganze Produktionszweige entstanden neu.
14. Erkundungsaufgabe
15. Erkundungsaufgabe: Unter der genannten Adresse ist ein
ausführlicher Beitrag zu Aufbau und Wirkungsweise eines
Wankelmotors zu finden.
16. Die Vorteile sind vor allem:
– höherer Wirkungsgrad,
– geringerer Aufwand bei der Pflege der Technik,
– höhere Betriebssicherheit und schnelle Betriebsbereitschaft,
– geringere Umweltbelastung,
– höhere Leistung.
17. a) Beim Erhitzen wird Wärme zugeführt. Sie wird in thermische Energie des Wasserdampfes umgewandelt. Der ausströmende Wasserdampf besitzt kinetische Energie, die in
Rotationsenergie umgewandelt wird.
b) Aufbau: Eine Dampfturbine besteht aus drehbar angeordneten Schaufeln. Auf der Seite des Dampfeintritts
haben sie einen kleinen Durchmesser, der in Richtung
Dampfaustritt zunimmt.
Wirkungsweise: Der Dampf trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Schaufeln. Dabei wird die kinetische Energie
des Dampfes in Rotationsenergie umgewandelt. Der nun
langsamere Dampf trifft auf die größeren Schaufeln. Dort
erfolgt die gleiche Energieumwandlung.
18. Gemeinsamkeiten:
– In beiden Motoren wird Kraftstoff (Benzin) verbrannt.
– n beiden Motoren erfolgt die Zündung des Benzin-LuftGemisches durch Funken zwischen den Elektroden einer
Zündkerze.
– In beiden Motoren wird die Hin- und Herbewegung eines
Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt.
Unterschiede:
– Die Anzahl der Takte ist unterschiedlich.
– Aufgrund seiner Konstruktion benötigt ein 2-Takt-Motor
keine Ventile.
19. Bei einer Klimaanlage wird unter Energieaufwand Luft
abgekühlt. Es wird thermische Energie dem Innenraum entzogen und nach außen abgegeben. Die Nutzung einer Klimaanlage erhöht den Benzinverbrauch.
Hinweis: Die durchschnittliche Erhöhung des Benzinverbrauchs beträgt 0,8 l – 1,0 l auf 100 km.
20. Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre stellt den Zusammenhang
zwischen der Änderung der thermischen Energie ∆E, der verrichteten mechanischen Arbeit W und der dabei ausgetauschten Wärme Q dar. Wenn das System abgeschlossen ist,
dann ist die Änderung der thermischen Energie mit der
Zufuhr oder Abgabe von Wärme verbunden und es wird
mechanische Arbeit verrichtet. Auf dieser Basis funktionieren Wärmekraftmaschinen.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
Eigenschaften elektrischer Bauelemente
Elektrischer Widerstand (LB S. 109–110)
1. Der elektrische Widerstand gibt an, wie stark der elektrische
Strom durch ihn behindert wird. Liegt an einem Metalldraht
eine elektrische Spannung an, dann werden die Elektronen
in Richtung Pluspol der Quelle angetrieben, bewegen sich
zwischen den Metall-Ionen hindurch und stoßen immer wieder mit diesen zusammen. Dabei werden sie von ihrer Bahn
abgelenkt und machen Umwege. Je stärker die Elektronen
auf ihrem Weg behindert werden, desto langsamer kommen
sie voran. Es fließen weniger Elektronen in einer Sekunde
durch den Leiterquerschnitt. Der Strom wird kleiner.
2. An den schlechteren der beiden metallischen Leiter muss
eine höhere Spannung angelegt werden, um die stärkere
Behinderung der Elektronen in ihm durch einen größeren
Antrieb auszugleichen. Die Elektronen werden zwar stärker
behindert, aber auch stärker angetrieben, sodass die Anzahl
der Elektronen, die sich in jeder Sekunde durch den Leiterquerschnitt bewegen, genauso groß ist wie beim besseren
Leiter, an dem eine kleinere Spannung anliegt.
3. Schnelleres Fahren bedeutet schnelleres Drehen des Dynamos. So werden größere Spannungen erzeugt und der elektrische Strom wird stärker angetrieben. Bewegen sich mehr
Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter, bedeutet das
eine größere Stromstärke, und die Lampe leuchtet heller.
4. Unter der Bedingung, dass die Temperatur konstant ist, verdoppelt sich die Stromstärke ebenfalls.
5. a)
I in A
10. IK = U/R
IK = 120 A, vorausgesetzt, die Kapazität des Akkumulators ist
groß.
11. Schülervortrag
12. a)
R1 = 50 Ω
R2 = 200 Ω
b) Es wird die Spannungsteilerregel angewendet:
R1/R2 = U1/U2. Da das Verhältnis der Widerstände 1 : 4
beträgt, muss auch das Verhältnis der Spannungen 1 : 4
sein. Mit U1 = 12 V muss U2 = 48 V sein.
c) Die elektrische Quelle hat eine Spannung von 60 V, weil
in einem unverzweigten Stromkreis die Gesamtspannung
gleich der Summe der Teilspannungen ist:
U = U1 + U2 = 12 V + 48 V = 60 V.
13. Der Weg der Elektronen durch den längeren Eisendraht ist
länger als durch den kürzeren. Deshalb stoßen sie umso häufiger mit den Eisen-Ionen zusammen. Es fließen weniger
Elektronen in einer Sekunde durch den Leiterquerschnitt als
bei dem kurzen Eisendraht.
14. Der Widerstand eines Konstantandrahtes ist weitgehend
temperaturunabhängig und das ohmsche Gesetz gilt nur bei
konstanter Temperatur. Der Widerstand eines Eisendrahtes
vergrößert sich mit der Temperatur.
0,4
15. Kleine Widerstände behindern kaum den Stromfluss und die
Spannung, die an ihnen abfällt, kann vernachlässigt werden.
0,3
16. I = 0,5 A
0,2
17. Im kalten Zustand ist der Widerstand des Glühfadens kleiner
als im Betriebszustand. Demzufolge fließt beim Einschalten
ein größerer Strom als im Betriebszustand.
0,1
1
2
3
4
5
6 U in V
b) Das ohmsche Gesetz gilt nicht, da Spannung und Stromstärke nicht proportional zueinander sind.
c) z. B. Metallfadenlampe
6. R = U/I R = 2,8 V/0,85 A R = 3,3 Ω
7. Wegen I = U/R bleibt die Stromstärke gleich.
8. a) 0,6 kΩ und 2,75 kΩ
b) 140 000 Ω; 0,14 MΩ und 8 700 Ω; 0,087 MΩ
c) 3 800 kΩ; 3 800 000 Ω und 56 kΩ; 56 000 Ω
9. a) trockene Haut: U = 30 V
feuchte Haut: U = 1 V
b) Netzspannung und andere hohe Spannungen sind lebensgefährlich. Spannungsführende Teile dürfen deshalb auf
keinen Fall berührt werden.
18. Bei metallischen Drähten aus demselben Material sind der
Widerstand und die Länge des Drahtes proportional zueinander, vorausgesetzt, ihre Querschnittsfläche ist gleich groß.
Dagegen sind der Widerstand und die Querschnittsfläche
von metallischen Leitern indirekt proportional zueinander,
vorausgesetzt, sie bestehen aus demselben Material und sind
gleich lang.
19. In Metallen vergrößert sich mit steigender Temperatur der
Widerstand, weil sich die Metall-Ionen heftiger bewegen.
Dadurch wird die gerichtete Bewegung der Elektronen stärker behindert.
Bei Halbleitern wirken zwei gegensätzliche Vorgänge. Einerseits führen die Atome und Ionen eines Halbleiterkristalls
stärkere Schwingungen um ihre Ruhelage aus und behindern so die gerichtete Bewegung der Elektronen. Andererseits können bei höherer Temperatur mehr Außenelektronen
aus ihren Bindungen gelöst werden. Es stehen mehr frei
bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Je nachdem, welcher dieser Vorgänge überwiegt, steigt oder sinkt der Widerstand eines Halbleiters.
20. a) Da R ~ l, beträgt der Widerstand R = 800 Ω/4 = 200 Ω.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
b) Der Widerstand des halben Drahtes beträgt R = 800 Ω/2 =
400 Ω. Demzufolge ergibt sich die Stromstärke zu
I = 20 V/400 Ω = 50 mA.
21. a) bei 50 V: R = 50 V/0,18 A = 278 Ω
bei 150 V: R = 150 V/0,36 A = 417 Ω
b) Bei dreimal größerer Spannung hat sich die Stromstärke
nicht verdreifacht, sondern nur verdoppelt. Eine größere
Stromstärke führt aber zur stärkeren Erwärmung des
Glühfadens und sein elektrischer Widerstand wird größer.
22. a) Dargestellt ist der Zusammenhang zwischen angelegter
Spannung und Stromstärke. Mit steigender Spannung
wächst die Stromstärke immer schneller an.
b) Bei U = 25 V fließt eine Stromstärke von 40 mA.
c) bei 15 V : R = 15 V/20 mA = 750 Ω
bei 30 V : R = 30 V/50 mA = 600 Ω
d) Nein; mit Erhöhung der Stromstärke und damit der Temperatur nimmt der elektrische Widerstand ab.
23. Aufbau: Reihenschaltung einer Spannungsquelle, eines temperaturabhängigen Widerstandes und eines Strommessers.
Wirkungsweise: Unterschiedliche Temperatur am Messfühler
(Messwiderstand) bewirkt unterschiedlichen elektrischen
Widerstand des Messwiderstandes und damit unteschiedliche elektrische Stromstärke (U = konstant). Wird eine
Eichung des Strommessers vorgenommen, zeigt er direkt die
Temperatur an.
Projekt: Rationelle Nutzung von Energie (LB S. 116 – 117)
1. Der in der Technik und auch im täglichen Leben gebräuchliche Ausdruck „Energieverbrauch“ bedeutet, dass elektrische
Energie in andere Energieformen umgewandelt wird und
dass diese Energieformen (z. B. die thermische Energie bei
einer Glühlampe) dann nicht weiter nutzbar sind. Insofern
sind sie für einen Nutzer „verbraucht“.
2. In der nachfolgenden Übersicht sind exemplarisch nur einige
Geräte und Bauelemente genannt.
67
– für die genutzte Energie (einschließlich 16 % Mehrwertsteuer),
– für 500 ml Wasser,
– für die Menge des verwendeten Tees.
4. a) Die Spannung von 230 V teilt sich auf. Der Widerstand der
großen Lampe muss so groß sein, dass an ihm mindestens
224 V abfallen. Dann liegen an der 6-V-Lampe auch nur 6 V
an.
b) Die Helligkeit der Glühlampe hängt nicht nur von der
Stromstärke, sondern auch von der angelegten Spannung
ab. Der unterschiedliche Antrieb bewirkt eine unterschiedliche Helligkeit der Lampen.
5. a) Die Wärmeabgabe des Motors ist an der Ankerwicklung
besonders groß.
b) Das kommt daher, weil durch die Ankerwicklung ein sehr
großer Strom fließt.
6. Nutzer von Elektroenergie in Deutschland, geordnet nach steigendem prozentualem Verbrauch: Landwirtschaft (1,5 %), Verkehr (3,2 %), öffentliche Einrichtungen (8,0 %), Handel/
Gewerbe (13,7 %), Haushalte (25,8 %), Industrie (47,8 %). Fast
die Hälfte der Elektroenergie wird von der Industrie genutzt.
7. a) Erkundungsaufgabe
b) Heizung
c) – Möglichst selten so genannte Kochwäsche bei 95 °C
waschen, oft reichen 60 °C.
– Keine Einzelstücke oder geringe Mengen waschen,
Wäsche sammeln bis zur zulässigen Füllmenge.
– Waschen bei möglichst niedrigen Temperaturen.
– Nutzung moderner Maschinen mit geringem Wasserverbrauch.
8. Erkundungsaufgabe
Elektrogroßgeräte sind in Effizienzklassen eingeteilt. Diese
geben Auskunft über Möglichkeiten, Energie einzusparen.
Effizienzklasse
A
unter 55 %
B
55 – 75 %
C
75 – 90 %
Gerät
erwünschte
Energie
unerwünschte
Energie
Glühlampe
Lichtenergie
thermische
Energie
D
90 – 100 %
E
100 – 110 %
F
110 – 125 %
G
über 125 %
Netzgerät
elektrische Energie
thermische
Energie
Fernsehapparat
Energie von Licht
und Schall
thermische
Energie
Bohrmaschine
mechanische Energie (Rotationsenegie des Bohrers)
thermische
Energie
durchschnittlicher Bedarf = 100 %
3. Experiment
Die genutzte elektrische Energie kann berechnet werden
nach der Gleichung E = P · t.
zu messen: Zeit t
zu erkunden:
– elektrische Leistung P des Wasserkochers,
– Kosten für den Arbeitspreis für die genutzte elektrische
Energie,
– Kosten für 1 m3 Wasser,
– Preis für den Tee.
Die Kosten für die Zubereitung des Tees ergeben sich aus der
Summe der Kosten
9. a) Eine Energiesparlampe benötigt etwa ein Fünftel der
Energie, die eine 100-Watt-Lampe benötigt. Angenommen, die Lampen sind im Jahr pro Tag fünf Stunden lang
in Betrieb. Für die 100-Watt-Lampe ergibt sich dann folgendes:
E = 100 W · 5 h · 365 = 182,5 kWh. Mit einem Preis von
0,15 Euro pro 1 kWh, betragen die Kosten dann 27,38 Euro.
Die Kosten für die Energiesparlampe sind um ein Fünftel
geringer, also 27,38 Euro : 5 = 5,48 Euro. Damit ergäbe sich
eine Einsparung von 21,90 Euro.
b) Angenommen, ein Fernsehgerät befindet sich 18 Stunden
pro Tag im Stand-by-Modus. Die Leistung, die dabei
umgesetzt wird, beträgt etwa 10 W. Im Jahr wird dann
eine Energie von E = 65,7 kWh benötigt. Die Kosten für
diesen Stand-by-Betrieb betragen rund 10 Euro.
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68
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
10. – Kochen: passende Topfdurchmesser für entsprechende
Heizplatten wählen; niedrigere Stufe schalten, wenn Siedevorgang eingetreten ist; rechtzeitig ausschalten (gart
nach); nur so viel Wasser erhitzen, wie wirklich gebraucht
wird; Schnellkochtopf nutzen
– Kühlen: Schranktüren nicht unnötig lange öffnen, möglichst kühlen Platz wählen
– Beleuchten: Lampe mit richtiger Leistung an richtigen
Platz; nicht ganze Räume ausleuchten, wenn nur im
Arbeitsbereich viel Licht benötigt wird; Leuchtstoff- und
Energiesparlampen verwenden
– Waschen (siehe 7c) und Trocknen: möglichst oft auf
Wäschetrockner verzichten
– energiesparende Geräte: bei vergleichbaren Typen Leistungsangaben auf Typenschildern vergleichen, Nutzung
von Geräten mit hoher Leistung wird teuer
8. P = U · I = 230 V · 16 A = 3 680 W.
9. Für U = konst. gilt: Je größer die Leistung, desto größer die
Stromstärke. Die Messwerte liegen in etwa auf einer Geraden. Der Quotient P/I = konst. Er entspricht näherungsweise
der angelegten Spannung von 230 V.
P ~ I , P/I = U oder P = U · I
10. Um die Leistung eines Spielzeugmotors zu ermitteln, werden die Spannung und Stromstärke bei Belastung gemessen.
Dazu werden in den Stromkreis für den Motor ein Strommesser und ein Spannungsmesser geschaltet. Eine Belastung
des Motors erreicht man z.B. folgendermaßen: Über eine
Rolle auf der Antriebswelle des Motors wird ein Körper an
einem Seil hochgezogen. Die Leistung wird nach der Gleichung P = U · I berechnet.
Schaltplan:
Elektrische Energie und elektrische Leistung (LB S. 121 –122)
V
1. 3 (0,4 W); 5 (0,8 W); 1 (1,2 W); 4 (2,4 W); 2 (3 W)
A
2. Es dauert doppelt so lange. Der „Energieverbrauch“ bleibt
aber gleich.
3. Es macht wenig Sinn, weil das Lämpchen erst bei Betriebsspannung seine volle Leistung bringt, also hell leuchtet.
4. Beispiel 1:
Betriebsspannung: 230 V Wechselspannung mit der Frequenz 50 Hz; elektrische Leistung: 800 W; Nicht in Wasser
tauchen!
DEKRA: Prüfinstitution; GS: Prüfkennzeichen
Beispiel 2:
Betriebsspannung: von 220 V bis 240 V Wechselspannung mit
der Frequenz 50 Hz;
elektrische Leistung: zwischen 1450 W und 1700 W; PHILIPS:
Hersteller; produziert in China; CE: Prüfkennzeichen
11. Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie
in 1 Sekunde umgewandelt wird.
Wenn in 1 Sekunde 1500 J umgewandelt werden, dann sind
es in 300 Sekunden 450 000 Ws = 0,1245 kWh.
12. Die Stromstärke, die durch eine 100-Watt-Lampe fließt, die
an 230 V angeschlossen wird, beträgt I = P/U. I = 0,43 A.
13. I = 333,3 A; der Schätzwert liegt meistens beträchtlich darunter.
14. Angenommen, die Lampen werden die gleiche Zeit lang
betrieben, läuft der Vergleich wegen t = konst. auf einen
Vergleich der Leistungen hinaus. Diese sind gleich wegen
PG = 60 W = PSch = 12 V · 5 A = 60 W.
5. I = P/U = 0,4 A
R = U/I = 15 Ω
6. Beide Geräte haben eine große elektrische Leistung, die
Waschmaschine z. B. 2 kW und der Elektroherd 6 kW. Würden sich beide Geräte in demselben Stromkreis befinden,
würde die Stromstärke 35 A betragen. Im Haushalt werden
Stromkreise aber nur mit 10 A bzw. 16 A abgesichert, um
Unfälle, vor allem Brände, zu vermeiden. Daher müssen die
Geräte in getrennten Stromkreisen angeschlossen werden.
7. Experiment
Vorbereitung:
P=U·I
U und I müssen gemessen werden.
Schaltplan:
A
V
Auswertung:
Nur Messgerätefehler und Ablesefehler könnten die Genauigkeit beeinflusst haben.
15. Wird der Widerstand direkt an die Quelle angeschlossen,
dann fließt durch ihn ein Strom der Stärke
I = U/R = 12 V/20 Ω = 0,6 A.
Er hat aber nur eine Leistung von 5 W. Deshalb darf der
Strom durch ihn nur eine Stärke von
I = P/U = 5 W/12 V = 0,42 A betragen.
Er darf also nicht direkt an die Quelle angeschlossen werden.
16. E = U · I · t
E = 10 000 Ws = 0,003 kWh
17. Angenommen, der Mixer bleibt jeweils die gleiche Zeit lang
bei gleicher Schalterstufe angeschaltet, dann wird im Leerlauf die geringste Energie umgesetzt. Das Rühren des
Getränks erfordert eine etwas höhere Leistung als im Leerlauf. Damit wird mehr Energie umgesetzt. Die größte Energie erfordert das Kneten des Kuchenteigs.
18. Arbeitspreis: 237,75 Euro
Grundpreis: 42,70 Euro
Mehrwertsteuer: 44,87 Euro
Kosten pro Jahr: 325,32 Euro
19. Erkundungsaufgabe
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
20. Nach dem Gesetz für Spannungen in unverzweigten Stromkreisen fällt an jeder der Glühlampen eine Teilspannung der
Gesamtspannung ab. Deshalb liegt nicht mehr die volle
Betriebsspannung an den Lampen an und sie leuchten weniger hell.
21. Die gelieferte Energie ergibt sich aus
E = U · I · t.
E = 3,5 V · 2 A · 5 400 s = 37 800 Ws.
22. 22. Der Akkumulator kann 36 Stunden lang eine Stromstärke
von 1 A hervorrufen.
23. a) Die Angabe 70 Ah bedeutet z. B., dass die Autobatterie
70 h lang eine Stromstärke von 1 A hervorrufen kann. Der
abgebildete Nickel-Metall-Hybrid-Akku kann bei 1,2 V
über eine Zeit von 1 800 h eine Stromstärke von 1 mA liefern.
b) Erkundungsaufgabe
Wahlpflichtbereiche
Wahlpflichtbereich: Vom Ballonfahren (LB S. 137–140)
1. Internetrecherche
– Folgende Elemente sollten enthalten sein:
Im 18. Jahrhundert entwickelten die Gebrüder MONTGOLFIER
den Heißluftballon, JACQUES CHARLES den Gasballon.
– Ein Nachteil des Ballonflugs besteht darin, dass lediglich
die Flughöhe reguliert werden kann, die Flugrichtung
wird allein durch die Luftströmung bestimmt.
– Das Streben nach lenkbaren Flugobjekten führte nach der
Erfindung des Elektromotors zur Entwicklung des Luftschiffes.
– Der notwendige Auftrieb wird beim Luftschiff, analog
zum Gasballon, durch ein leichtes Gas erreicht (früher
wurde stets Wasserstoff verwendet).
– Entscheidenden Anteil an der Entwicklung des Luftschiffes
hatte FERDINAND GRAF VON ZEPPELIN. Er ließ sich im Jahr 1895
sein Luftschiff patentieren.
– Ihm zu Ehren werden Luftschiffe auch Zeppeline genannt.
– Das erste Luftschiff ZEPPELINS startete am 2. Juli 1900. Es
zeigten sich noch erhebliche Mängel.
– In der Folgezeit wurden die Luftschiffe immer weiter verbessert und auch zu militärischen Zwecken eingesetzt (z.
B. für Bombenangriffe im ersten Weltkrieg).
– Nach Kriegsende mussten alle Zeppeline den Alliierten
übergeben werden, der Bau neuer Luftschiffe wurde
untersagt.
– 1927/28 wurde in Friedrichshafen ein neues großes Luftschiff gebaut, die LZ 127 („Graf Zeppelin“).
– 1936 wurde ein wesentlich größeres Luftschiff gebaut, die
LZ 129 („Hindenburg“). Es war 245 m lang und konnte mit
einer Geschwindigkeit von 125 km/h bis zu 72 Passagiere
befördern.
– Nach einer Atlantiküberquerung verbrannte die Hindenburg am 6. Mai 1937 bei der Landung in der Nähe von
New York. Dieses Unglück bedeutete das vorläufige Ende
der Luftschifffahrt.
69
– Die in den letzten Jahrzehnten gebauten Zeppeline dienten vorwiegend Werbezwecken.
– Seit Mitte der neunziger Jahre wird intensiv an der Entwicklung neuer Zeppeline gearbeitet.
– In Friedrichshafen wird der Zeppelin NT (Neue Technologie) gebaut, der vorwiegend für den Touristenverkehr vorgesehen ist.
2. a) Die Papierspirale dreht sich, weil sich die von der Kerze
erwärmte Luft ausdehnt und infolge der damit verbundenen Dichteverringerung aufsteigt. Es entsteht eine nach
oben gerichtete Wärmeströmung, die eine Rotation der
Papierspirale bewirkt.
b) Durch die Erwärmung der Luft in einem Heißluftballon
wird die mittlere Dichte des Ballons geändert. Ist diese
kleiner als die Dichte der Luft, dann steigt der Ballon.
3. Ein Ballon steigt, falls die an ihm angreifende Auftriebskraft
FA größer ist als seine Gewichtskraft FG. Dies ist genau dann
der Fall, wenn die mittlere Dichte des Ballons rB geringer ist,
als die Dichte der ihn umgebenden Luft rL. In einem Heißluftballon wird dieses durch das Erhitzen der Luft im Ballon
erreicht. Bei einem Gasballon muss genügend Gas in den Ballon geblasen werden.
Für einen schwebenden Ballon gilt:
FA = FG bzw. rB = rL
Für einen sinkenden Ballon gilt:
FA < FG bzw. rB > rL
Damit ein Heißluftballon sinkt, muss ein Teil der erwärmten
Luft ausströmen. Dazu zieht man an einer Leine, sodass sich der
Ballon an der Oberseite spaltbreit öffnet. Soll ein Gasballon sinken, wird durch die Öffnung eines Ventils Füllgas abgelassen.
4. Da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, dehnte sich beim
Aufstieg das Füllgas aus, was schließlich zum Platzen des Ballons führte.
5. Da der Ballon schwebt, entspricht seine mittlere Dichte
gerade der Dichte der Umgebungsluft. Die zu den gegebenen Dichten gehörenden Höhen können dem Diagramm auf
S. 139 des Lehrbuches entnommen werden:
Bei einer mittleren Dichte von rB = 1 kg/m3 beträgt die Flughöhe ca. 2 km, bei rB = 0,8 kg/m3 ca. 4 km und bei rB = 0,6 kg/m3
ca. 7 km.
6. Da sich der Ballon im Schwebezustand befindet, entspricht
seine mittlere Dichte gerade der Luftdichte. Die Luftdichte für
eine Flughöhe von 2 km kann dem Diagramm auf S. 139 des
Lehrbuches entnommen werden. Sie beträgt etwa 1 kg/m3.
mB
mB
Mit rB = -------- und rB = rL folgt VB = ------VB
r
B
4000 kg
VB = ------------------ = 4000 m3
kg
1 ------3m
7. Internetrecherche
8. Internetrecherche
9. Wettbewerb
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
Wahlpflichtbereich: Kühlschrank und Wärmepumpe (LB S. 141–
144)
1. Eine Flüssigkeit verdunstet um so schneller, je größer ihre
Oberfläche ist, je höher ihre Temperatur ist und je schneller
der verdunstete Teil abgeführt wird.
2. a) Die Tabelle und das Diagramm zeigen das Ergebnis einer
durchgeführten Messung bei einer Zimmertemperatur
von 23 °C.
t / min
0
4
10
18
27
38
J / °C
21,2
21
20,5
20
19,5
19
Temperatur in °C
21,5
6. Wären beide Bauteile im Innenraum des Kühlschranks angebracht, dann würde die vom Kühlmittel im Verdampfer aufgenommene Verdampfungswärme beim Kondensieren im
Verflüssiger erneut an den Innenraum des Kühlschranks
abgegeben werden. Die Temperatur bliebe konstant.
7. Die Wirkungsweise einer Klimaanlage zur Kühlung von
Gebäuden entspricht der des Kühlschranks. Außerhalb des
Gebäudes sind der Kompressor und der Verflüssiger (Kondensator) angebracht, der Verdampfer befindet sich im
Innern. Die durch ihn im Gebäude aufgenommene Wärmeenergie wird vom Verflüssiger an die Umgebung abgegeben.
8. Der Aufbau und die Wirkungsweise von Kühlschrank und
Wärmepumpe sind nahezu identisch. Der einzigste Unterschied besteht in der Anordnung der Bauteile. Beim Kühlschrank befindet sich der Verdampfer im Innenraum und
entzieht diesem Innenraum Wärme, die vom Verflüssiger an
die Umgebung abgegeben wird. Bei der Wärmepumpe ist
der Verdampfer außerhalb angebracht, der Verflüssiger
befindet sich im Haus. So wird dem Außenraum Wärme entzogen und im Haus abgegeben.
21
20,5
20
19,5
19
18,5
18
0
10
20
30
40
Zeit
in min
b) Trotz einer Zimmertemperatur von 23 °C kühlt sich das
Wasser ab. Zu Beginn der Messung hat es eine Temperatur von 21,2 °C, die nach 38 min auf 19 °C gesunken ist.
Die zur Verdunstung des Wassers benötigte Energie wird
dem Wasser selbst entzogen; es kühlt ab. Verstärkt wird
dieser Effekt durch die poröse Terrakotta. Das Wasser
gelangt durch die feinen Haarrisse von innen nach außen.
Dadurch bleibt die Verdunstung des Wassers nicht auf die
Oberfläche beschränkt, sondern findet auch auf der
Oberfläche des Gefäßes statt.
3. Je geringer der Druck, desto niedriger liegt die Siedetemperatur eines Stoffes.
4. a) Erkundungsaufgabe
b) In den Kühlrippen an der Rückseite des Kühlschranks kondensiert Dampf. Die frei werdende Kondensationswärme
wird über die Kühlrippen an die Umgebung abgegeben.
Durch die Lüftungsschlitze wird diese Wärme abgeleitet.
c) Ein Kühlschrank kühlt nur dann, wenn der Motor (Kompressor) eingeschaltet ist. Ist die am Thermostat eingestellte
Temperatur erreicht, schaltet der Motor aus. In dieser Zeit
hält der Kühlschrank die Temperatur. Steigt die Temperatur
wieder an, schaltet der Thermostat den Kompressor wieder
an. 3-Stern-Kühlschränke oder Kombikühlschränke haben
meist Thermostate mit 3 oder 4 Anschlüssen. Davon sind
aber nur 2 Kontakte für die Motorsteuerung.
5. Nein, denn die Wärme, die vom Kühlschrank abgegeben
wird, entspricht der Summe aus aufgenommener Wärme
und der vom Kompressor geleisteten Arbeit. Die Temperatur
des Raumes würde daher sogar ansteigen.
9. Vorteile:
Die Wärmepumpe nutzt regenerative Energiequellen
(Wärme des Erdreiches, des Grundwassers, der Luft), nichterneuerbare Energieträger können eingespart werden.
Es tritt keine Umweltbelastung durch den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid auf.
Der Energieverbrauch ist geringer.
Nachteile:
Die Anschaffungskosten einer Wärmepumpe sind relativ
hoch.
10. Die zur Erwärmung des Wassers benötigte Energie kann mit
der Grundgleichung der Wärmelehre berechnet werden:
Q = c · m · ∆T
Q = 4,19 (kJ / (kg · K)) · 150 kg · 24 K
Q = 15084 kJ
Bei einem Wirkungsgrad der Wärmepumpe von 4,5 muss
jedoch nur eine elektrische Energie von 15 084 kJ/4,5 = 3 352 kJ
aufgebracht werden, also etwa 0,93 kWh. Wenn 1 kWh 15 ct
kostet, dann beträgt der Preis für das Erhitzen des Wassers von
15 °C auf 39 °C etwa 14 ct.
Wahlpflichtbereich: Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen (LB S. 145–149)
1. Zur Wettervorhersage wird zusätzlich zur Temperatur der
Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit an zahlreichen Wetterstationen gemessen.
Entfernungen, z. B. die Abmessungen eines Raumes, können
ebenfalls elektrisch gemessen werden. Dazu sendet das
Messgerät Ultraschallwellen aus und registriert das an den
Wänden reflektierte Signal.
Zur Zeitmessung werden häufig Digitaluhren benutzt; auch
zur Messung von Zeitdauern (digitale Stoppuhren).
Blutdruckmessgeräte zeigen zusätzlich zum Blutdruck auch
den Puls an.
Lichtschranken ermöglichen eine automatische Öffnung von
elektrischen Schiebetüren, wenn sich eine Person nähert.
Sensoren in Bügeleisen und Wasserkochern schalten die
Geräte automatisch ab.
Bewegungsmelder einer Hofbeleuchtung schalten diese
automatisch ein, wenn eine Person den Hof betritt.
Beim Aufprall eines Autos wird automatisch der Airbag aktiviert. Zahlreiche Kontrollanzeigen im Auto werden von Sen-
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
71
soren angesteuert (Ölstand, Kühlwasser, Handbremse …).
Alarmanlagen von Häusern steuern bei einem Einbruch z. B.
eine Sirene oder eine Kontrollleuchte an.
Eine Überlaufsicherung verhindert ein Überlaufen beim
Befüllen eines Öltanks.
2. Abbildung 1 zeigt für einen Kaltleiter den Zusammenhang
zwischen der Stromstärke und dem Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Wenn die Temperatur erhöht wird,
dann vergrößert sich der Widerstand von Kaltleitern. Demzufolge verringert sich die Stromstärke. Kaltleiter werden z. B.
zu Füllstandsmessungen eingesetzt. Den Zusammenhang zwischen der Stromstärke und dem Widerstand in Abhängigkeit
von der Temperatur für einen Heißleiter zeigt die Abbildung
2. Mit Zunahme der Temperatur verringert sich der Widerstand eines Heißleiters. Demzufolge steigt die Stromstärke.
Heißleiter werden z. B. zu Temperaturmessungen eingesetzt.
3. Die folgende Tabelle bzw. die Diagramme zeigen ein Messbeispiel für einen NTC-Widerstand von 4,7 kΩ (bei 25 °C).
J in °C
20
30
40
50
60
70
80
90
U in V
3
3
3
3
3
3
3
3
3
I in mA
0,6
0,9
1,39
2,1
3,15
4,5
6,77
10,1
13,95
3333
2158
1429
952
667
443
297
215
R in Ω 5000
100
I in mA
16
14
4. Leuchtdioden, auch Lumineszenzdioden, Lichtemitterdioden oder LED (abgeleitet vom englischen light emitting
diode) genannt, sind spezielle Halbleiterdioden, die beim
Betrieb in Durchlassrichtung Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich aussenden. Die Umkehrung der Leuchtdiode ist die Fotodiode.
Aufbau und Wirkungsweise: Leuchtdioden bestehen wie
andere Arten von Dioden aus einem n-Halbleiter und einem
p-Halbleiter mit einem dazwischen liegenden, sehr dünnen
pn-Übergang. Leuchtdioden sind so gebaut, dass das im pnÜbergang entstehende Licht aus der Diode in einer bestimmten Richtung austreten kann. Eine verbreitete Bauform sind
Flächenstrahler. Als Grundmaterial verwendet man vor allem
Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP), wobei
unterschiedliche Stoffe zur Dotierung genutzt werden. Diese
Stoffe bestimmen die Farbe des Lichts, das ausgesandt wird.
Die Leuchtdiode wird in Durchlassrichtung geschaltet. Dann
fließt durch den pn-Übergang ein Strom und es kommt es zu
einer Rekombination von Elektronen und Löchern (Defektelektronen). Bei dieser Rekombination wird Energie frei, die
in Form von Licht abgegeben wird. Dabei gilt:
– Die Stoffe, aus denen die Leuchtdiode besteht, bestimmen
die Farbe des Lichts.
– Durch die Form der Diode wird bestimmt, von welcher Fläche Licht abgegeben wird. Die wichtigsten Formen sind
Flächenstrahler, halbkugelförmige Strahler und strichförmige Strahler.
Anwendungen: Wegen ihrer geringen Abmessungen und
des relativ geringen Energieverbrauchs eignen sich Leuchtdioden vor allem zur Anzeige. Dabei nutzt man z. B. einzelne
Leuchtdioden, um den Stand-by-Betrieb eines Radios anzuzeigen.
12
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
J in °C
Bei der Bestimmung unbekannter Temperaturen ist darauf
zu achten, dass die Schüler die Stromstärke ermitteln, die bei
derselben Spannung von 3 V durch den Heißleiter fließt.
Eine Erweiterung der Aufgabenstellung stellt die Berechnung des jeweiligen Widerstandswertes bei den gemessenen
Temperaturen dar. Auch die grafische Darstellung im R-J Diagramm ist eine mögliche Erweiterung und zur Differenzierung des Unterrichts geeignet.
5. Beide Varianten nutzen die Tatsache, dass die verwendeten
Flüssigkeiten leitend sind. Die Variante, bei der die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Querschnittsfläche angewendet wird, bereitet den Schüler die größeren
Schwierigkeiten. Deshalb ist hervorzuheben, welche Größen
in der genutzten experimentellen Anordnung der Länge
bzw. der Querschnittsfläche des Leiters (der Flüssigkeit) entsprechen.
6. Die Tabelle bzw. die Diagramme zeigen ein Messbeispiel für
einen Elektrodenabstand von 3 cm.
Füllstand in cm
0,5
2
4
6
U in V
6
6
6
6
R in Ω
3352
1117
611
517
I in mA
1,79
5,37
9,82
11,61
I in mA
R in Ω
16
6000
14
5000
12
4000
10
8
3000
6
2000
4
1000
2
0
0
20
40
60
80
100
J in °C
0
0
1
2
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3
4
5
6
Füllstand
in cm
72
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuches
der Ermittlung der Abhängigkeit des Widerstandes von der
Länge um eine Reihenschaltung geht, sind die Widerstände
bei der Ermittlung der Abhängigkeit von der Querschnittsfläche parallel zu schalten.
R in Ω
4000
3500
11. In digitalen Blutdruckmessgeräten wird ebenfalls ein FolienDehnungsmessstreifen verwendet. Dieser ist auf eine elastische Membran aufgebracht. Bei einer Druckänderung verformt sich mit der Membran auch der DMS. Die Folge ist eine
Widerstandsänderung. Bei einer konstant anliegenden elektrischen Spannung geht damit eine Stromstärkeänderung
einher. Sie kann gemessen werden und dient als Maß für den
wirkenden Druck. Druckmessgeräte (Manometer) sind so
geeicht, dass sie nicht die elektrische Stromstärke sondern
direkt den Druck angeben.
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6 Füllstand
in cm
Auch in dieser Aufgabe ist die Berechnung der Widerstände
und die Darstellung im R-J-Diagramm zur Differenzierung
des Unterrichts geeignet.
7. Befindet sich der Füllstand unterhalb des Kaltleiters (Sensors), dann führt der Stromfluss zu einer Eigenerwärmung
des Kaltleiters. Dadurch steigt der elektrische Widerstand
und der Strom nimmt ab. Zwischen dem Sensor und der Luft
stellt sich nach kurzer Zeit eine konstante Wärmeübertragung ein. Die Temperatur des Sensors bleibt gleich. Am
Strommesser kann eine unveränderte, geringe Stromstärke
abgelesen werden. Erreicht der Flüssigkeitsspiegel den Sensor, so kühlt dieser augenblicklich ab. Der damit verbundene
starke Anstieg der Stromstärke kann als Maß für das Erreichen des Füllstandes gedeutet werden.
8. Internetrecherche
9. Bei einem Folien-Dehnungsmessstreifen nimmt durch das
Auflegen einer Masse die Streifenlänge des Leiters zu und
der Querschnitt des Leiters nimmt ab. Demzufolge wird der
Widerstand größer. Kleine Massen führen zu kleinen Vergrößerungen des Widerstandes, große Massen zu großen.
10. Der Unterschied zu dem Experiment, mit dem die Abhängigkeit des Widerstandes von der Länge ermittelt werden kann,
besteht in der Schaltung der Widerstände. Während es bei
12. Der systolische (höhere) Wert ist der Druck während der
Kontraktion des Herzens und gibt Auskunft über die Leistung des Herzens. Der diastolische (niedrigere) Wert ist der
Druck während der Erschlaffung der Herzmuskulatur. Die
Druckwerte werden meist in Torr angegeben. Ein Wert von
120/80 bedeutet: Der systolische Wert beträgt 120 Torr (16
kPa), der diastolische Wert 80 Torr (11 kPa).
13. Dieser Auftrag ist nicht nur unter sportlichem Aspekt für die
Schüler interessant. Damit ihre Zeiten vergleichbar sind, müssen sie bestimmte Regeln bzw. Bedingungen festlegen, die
dann von allen einzuhalten sind: Fährt z. B. jeder mit seinem
Fahrrad oder nutzen alle nacheinander dasselbe Rad? Wer
stoppt die Zeiten? Sind es immer dieselben Schülerinnen und
Schüler oder wechseln sie sich ab? Usw.
In der Startphase verläuft die Bewegung beschleunigt, d. h.,
in kurzer Zeit nimmt die Geschwindigkeit zu. Ob die Bewegung weiterhin beschleunigt, gleichförmig oder gar
gebremst verläuft, hängt vor allem von der Kondition, der
physischen Verfassung, des Sprinters ab. Für die Zeitmessung
wird eine Mittelwertbildung empfohlen.
Die gemessenen Zeiten und Geschwindigkeiten können in
folgender Messwertetabelle festgehalten werden:
Name
t1
t2
t3
t4
t5
t
vberechnet
vgemessen
...
14. Anfertigen eines Posters
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