Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2008/2009 - Physik 7d

Energie

• In einer Mindmap haben wir zusammengetragen, was uns zum Thema Energie einfiel. In der nächsten Stunde werden wir daran weiter arbeiten.
  
  Dank an Kevin!

• Leider sind wir in der Stunde von lautem Baulärm gestört worden. Hatte das auch etwas mit Energie zu tun?
• Im Buch sind verschiedene interessante Maschinen beschrieben. Ihr habt herausgesucht, wozu die Energie bei diesen Maschinen dient.
• Bis zur nächsten Stunde wollen einige von Euch eine der abgebildeten Maschinen bauen. Wir sind gespannt auf die Ergebnisse!

• Danke, dass einige Aufziehautos mitgebracht haben.
• Besonderen Dank für das Basteln des Garnrollenmotors. Sehr schön!
  Hier 2 Ansichten dieses Motors:
   
• Und dass die aus einer Filmdose gebastelte Rakete bei Euch gut ankam, war ja klar. Vielleicht lag es ja auch daran, dass es hinterher so gut nach Cola roch!?
• Beeindruckend ist aber doch auch, dass der Heißluftmotor nur mit 3 Teelichtern angetrieben so schnell lief?
• Nun liegt es an Euch, zum nächsten Mal herauszufinden, wie die Energieumwandlungen bei den einzelnen Motoren verliefen.

• Wir haben besprochen, welche Energien bei den in der letzten Stunde gezeigten Versuchen beteiligt waren.
• Intensiver haben wir uns mit der aus einer Filmdose gebastelten Rakete befasst.
  Die große Flughöhe wird neben dem aufgebauten Gasdruck auch durch das Wasser bewirkt, das den Innenraum beim Schnellerwerden zu Beginn von der Außenwelt abgrenzt.
  In Verbindung mit dem CO₂-Gas haben wir aktuelle und historische Gesichtspunkte angesprochen.

• Zum Schulbuch gehört eine CD, auf der Arbeitsblätter, Abbildungen und Simulationen zu finden sind.
  Im Buch wird sehr oft auf diese CD verwiesen. Tippt man z.B. den Hinweis 014-1 in das Eingabefeld beim Programm, kann man sich viele Bilder anschauen, die mit verschiedenen Energiearten zu tun haben.
  Der Hinweis 015-1 führt zu einem Versuch, den man selbst auswerten kann: Mit einer Wärmebildkamera wird eine heiße Kaffeekanne aufgenommen. An Hand der verschiedenen Färbung (man nennt so etwas "Falschfarbenbild") und einer geeichten Farbskala kann man die Temperatur jedes Kannenteils ermitteln. Unbedingt mal ausprobieren!

• Die Temperatur eines Körpers ist ein Maß für die innere Energie des Körpers.
  Die innere Energie ist die Bewegungsenergie der Atome des Körpers.
  Wird ein Körper wärmer, so bewegen sich seine Moleküle schneller, wird er kälter, so bewegen sich die Atome langsamer.
• Es gibt eine niedrigste Temperatur.
  Da die Temperatur sinkt, wenn sich die Atome im Körper weniger bewegen, wird die niedrigste Temperatur dann erreicht, wenn alle Atome in Ruhe sind.
  Weniger bewegen als gar nicht bewegen geht nicht, also gibt es dann auch keine niedrigere Temperatur.
  Die niedrigste Temperatur ist bei -273,15°C erreicht.
• In einem Festkörper (z.B. Stein, Metalle) sind die Atome wie durch Gummibänder (in Wirklichkeit durch elektrische Kräfte) aneinander gebunden.
  Sie können zwar Schwingungsbewegungen ausführen (siehe Erklärung zur inneren Energie), können sich aber nicht von der Stelle bewegen.
• Steigt die Temperatur in einem Festkörper (die innere Energie nimmt zu), so können diese Bindungen aufbrechen und die Atome werden frei beweglich.
  Sie bleiben aber ganz eng zusammen, können sich aber gegeneinander verschieben.
  Der Festkörper wird so zu einer Flüssigkeit.
• Nimmt die innere Energie noch mehr zu, wird also die Temperatur des Körpers noch höher, so können viele Atome die Flüssigkeit verlassen und fliegen einzeln fort.
  Die Flüssigkeit wird gasförmig. Die Gasteilchen sind unabhängig voneinander, können aber zusammenstoßen und dabei ihre Richtung ändern.

• Im Zusammenhang mit der Wiederholung zum Thema "fest-flüssig-gasförmig" und dem Zusammenhang mit innerer Energie und der Bewegung der Atome kam die Sprache auf das aktuelle Thema LHC (Large Hadron Collider).
• Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen oder verschwinden.
  Seite langer Zeit versuchen aber immer wieder Menschen, Maschinen zu entwickeln, die ohne Enegiezufuhr ewig laufen und dabei noch selbst Energie erzeugen.
  Eine solche Maschine nennt man Perpetuum mobile. 
  Im Internet findet man sehr viele interessante und auch einfallsreiche Energie-Gewinnungs-Versuche. Sucht einfach mal mit dem Suchbegriff "Perpetuum mobile" und berichtet dann in der nächsten Unterrichtsstunde!

• Beim Thema "Perpetuum mobile" haben wir mehrere Filme angeschaut mit vermeintlichen verschiedenen Exemplaren eines Perpetuum mobiles.
  Teilweise konnten wir schon erklären, warum die Apparate nicht funktionieren können, teilweise müssen wir das in der nächsten Stunde noch erledigen.
• Auch einige Meinungen von Euch müssen wir noch genauer unter die Lupe nehmen. Ihr behauptetet:
• Die Planeten sind Perpetua mobilia, weil sie sich immer weiter drehen.
• Die Planeten treiben sich an, weil sie Magnete sind.
• Die Erde ist ein Magnet, weil sie uns anzieht.
• In diese Aussagen stecken leider Fehler, die wir in der nächsten Stunde besprechen werden.

• Zu den Fragen, die in der letzten Stunde noch offen geblieben sind:
• Wenn keine Reibung vorhanden ist, bleiben Körper nicht stehen, sondern bewegen sich immer weiter, ohne dass sie ein Perpetuum mobile sein müssen.
  Würde die Gashülle der Sonne bis zu den Planeten reichen, würden sie dadurch gebremst und müssten schließlich in die Sonne stürzen.
• Ganz gleich, ob die Planeten Magnete sind oder nicht, aus dem oben genannten Punkt müssen sie nicht angetrieben werden.
• Es ist nicht die Kraft des Erdmagnetfeldes, die uns anzieht. Denn erstens sind wir nicht magnetisierbar und zweitens wäre das Magnetfeld viel zu schwach, um uns an der Erde zu halten.
  Die wirkende Kraft ist die Gravitationskraft: Körper ziehen sich auf Grund ihrer Masse gegenseitig an.
• Ein Pumpspeicherkraftwerk funktioniert folgendermaßen:
  Aus einem hochgelegenen See fließt Wasser durch Rohre berab und treibt unten im Tal eine Turbine an, die wiederum über einen Generator Strom erzeugt.
  In Zeiten geringen Energiebedarfs (z.B. nachts) wird mit überschüssiger Energie aus anderen Kraftwerken ein Teil des Wassers wieder nach oben gepumpt, das dann an anderen Tagen zur Zeit höheren Energiebedarfs wieder zur Stromerzeugung verwendet werden kann.

• Wie haben über Energietransport und Energiespeicherung gesprochen (siehe dazu im Buch die Seiten 20-25).
  Hausaufgabe: Seite 27 Aufgabe 4: Besonders Aufgabenteil c beachten!
• In der Stunde kam in Zusammenhang mit der Entstehung von Erdöl und Ergas das Thema "Erdbeben" auf. 
  Schaut Euch doch dazu mal die ständig aktualisierte Erdbebenübersicht in der Weltkarte an.

• Im Bild mit dem außergewöhnlichen Wecker haben wir zahlreiche Energiearten entdeckt und gesehen, wie diese Energien ineinander umgeformt werden können:
  Sonnenenergie, Wärme, Feder- oder Spannenergie, Rotationsenergie, Lageenergie, elektrische Energie, Schallenergie ...
• Einige Bilder auf Seite 30 sind eigenartig. Es scheint, als ob die Zeit rückwärts gelaufen wäre.
  Warum es nicht geht, dass eine Schwimmerin aus dem Becken auf das Sprungbrett springt und warum eine Kerze nicht länger wird, wenn man sie eine Zeit lang brennen lässt, werden wir in der nächsten Stunde klären.

• Manche Vorgänge laufen in unserer Welt nur in eine Richtung ab
• Ein Turmspringer fällt nach dem Absprung von selbst nach unten, er wird aber nie von selbst aus dem Wasser nach oben auf das Sprungbrett fliegen.
• Eine Kerze wird beim Abbrennen immer kleiner und nicht größer.
• Zur Deutung:
• Wenn man vom Sprungturm springt, werden alle Atome des Körpers durch die Erdanziehungskraft nach unten gezogen.
  Wärme bedeutet Bewegung von Atomen. Aber es müssten sich durch Zufall alle (oder wenigstens die meisten) Atome eines Körpers nach oben bewegen, damit der Körper aus dem Wasser auf das Sprungbrett fliegt. Das ist bei der unermesslich großen Zahl der Atome aber so unwahrscheinlich, dass man dieses Ereignis nicht beobachtet.
• Beim Abbrennen der Kerze wird das Material der Kerze zuerst flüssig und dann gasförmig. Beim Verbrennen fliegen die Gasatome in alle Richtungen davon.
  Es ist sehr unwahrscheinlich, dass alle Gasatome von selbst durch Zufall zur Kerze zurück fliegen würden und sich dann auch noch nach Abgabe von Sauerstoff (Verbrennung muss rückgängig gemacht werden) wieder zur Kerze formt.
• Die Energie, die zu Beginn eines Prozesses zur Verfügung steht, wird "entwertet". Sie steht nach einer Energieumwandlung nicht mehr voll zur Verfügung.

• An Hand des Mausefallenfahrzeuges haben wir verschiedene Energiearten und Energieübertragung wiederholt.
  
  
• Zur Vorbereitung auf die Arbeit solltet Ihr Euch im Buch schon einmal die Seiten 8 bis 35 anschauen.
  Die nächsten Seiten des Kapitels werden wir noch besprechen.

• Kräfte werden in der Einheit Newton (N) gemessen. Eine Tafel Schokolade der Masse 100 g (=0,1 kg) übt auf der Erde eine Gewichtskraft von 1 N aus.
  Es gilt: Kraft = Masse mal Ortsfaktor   ;   F = m · g
  Der Ortsfaktor ist ein Maß dafür, wie stark eine Masse von einem Himmelskörper angezogen wird. Während g auf der Erde etwa den Wert 1o N/kg hat, ist der Wertv auf dem Mond nur etwa 1,7 N/kg.
• Energien werden in der Einheit Joule (J) gemessen. Manchmal schreibt man dafür auch Newton-Meter (Nm).
• Man kann mit Energien auch rechnen.
  Zwei Formeln haben wir kennen gelernt:
• Lagenergie = Masse mal Ortsfaktor mal Höhe  ;  E = m · g · h
  auf der Erdoberfläche gilt etwa g = 10 N/kg
  Beispiel: Soll ein Koffer der Masse 20 kg um 10 m angehoben werden, so ist die Energie E = 20 kg · 10 N/kg · 10 m = 2000 Nm = 2000 J nötig.
• Differenz zweier Wärmeneergien = Konstante mal Masse mal Differenz zweier Temperaturen    ;    
  Der Faktor c hängt vom Material ab und hat z. B. für Wasser der Wert 4,2 kJ/(kg·K). kJ bedeutet Kilo-Joule oder 1000 J. Das K steht für die Temperatureinheit Kelvin. Die Temperaturdifferenz wird auch in Kelvin angegeben.
  Beispiel: 3 l Wasser (das sind 3 kg) sollen um 20 K erwärmt werden. Welche Energie ist dazu nötig?
  E = 4,2 kJ/(kg·K) · 3 kg · 20 K = 252 kJ  Es werden also 252 kJ oder 252000 J zur Erwärmung benötigt.

• Beispielrechnung zu den Formeln  E = m · g · h und .
  Ein Wasserfall hat die Höhe 40 m. Um wieviel erwärmt sich 1 l Wasser (1 kg), wenn es hinabfällt?
• Frage:Warum erwärmt sich das Wasser überhaupt?
  Antwort: Würde man das Wasser von unten nach oben bringen, müsste man dazu Energie aufwenden und die Energie wäre dann im Wasser gespeichert. Fällt das Wasser nun herab und bleibt unten am Wasserfall relativ ruhig liegen, so wird diese Energie wieder frei und muss irgendwo bleiben. Die innere Energie des Wassers vergrößert sich, das Wasser wird wärmer.
• Angenommen, die gesamte Energie würde in Wärme umgewandelt, dann könnte man so rechnen:
  Welche Energie hat das Wasser oben am Wasserfall? E = m · g · h = 1 kg · 10 N/kg · 40 m = 400 J = 0,4 kJ.
  Diese Energie wird beim Herabfallen in innere Energie umgewandelt. Also gilt 
• Man kann das Wasser nicht mehr erwärmen, wenn man eine größere Wassermenge herunter fallen lässt, weil dann zwar die Gesamtenergie größer wird, aber auch die Menge des zu erwärmenden Wassers größer wird.
• Um das Wasser mehr zu erwärmen, muss man es aus größerer Höhe fallen lassen.
• Materie, die aus sehr großer Höhe kommt (z. B. aus dem Weltraum), besitzt so viel Energie, dass das Material beim Eintrit in die Lufthülle verglüht (Sternschnuppe) oder auf der Erde einen tiefen Krater bilden und das Gestein schmelzen kann.

• Wiederholung zur Arbeit.
  Das sind die Themen, zu denen in der Arbeit Aufgaben vorkommen können:
• Energie im Alltag (im Buch ab Seite 8)
• Energiearten (im Buch ab Seite 12)
• Energieumwandlung (im Buch ab Seite 16)
• Energietransport (im Buch ab Seite 20)
• Energiespeicherung (im Buch ab Seite 24)
• Energieentwertung (im Buch ab Seite 30)
• Energiemessung (im Buch ab Seite 36)

• Letzte Wiederholung zur Klassenarbeit. Viel Erfolg!

• Klassenarbeit 1 (Arbeit, Lösung)

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit