Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2010/2011 - Physik 7c

Energie

• Einführung in das Arbeiten mit dem Formeleditor in OOo-Writer und der Tabellenkalkulation OOo-Calc
• Einführung in das Thema "Energie":
  Wir haben Begriffe zusammengestellt, die mit dem Thema Energie zu tun haben.
  Hausaufgabe: Mindmap mit diesen Begriffen bilden.

• In Euren Mindmaps habt Ihr eine Fülle von Begriffen zum Thema Energie aufgelistet.
  Wir haben nun angefangen, diese Begriffe in Gruppen zu fassen und einige wichtige Energieformen zu unterscheiden.
• Ein Tischtennisball liegt zuerst auf dem Tisch und wird dann hochgehoben.
  Dann besitzt er Lageenergie oder potenzielle Energie.
  Mit dieser Energie ist es ihm nach dem Loslassen möglich, sich von selbst zu bewegen: Der ball fällt herunter.
  Indem der Ball sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, hat er Bewegungsenergie oder kinetische Energie.
  Diese Energie wird dazu verwendet, dass der Ball beim Auftreffen auf den Tisch etwas eingedrückt wird.
  Er besitzt in seinem verformten Zustand Spannenergie.
  Indem der Ball wieder seine alte Form annimmt, wird er nach oben geschleudert und erhält zunächst Bewegungsenergie und dann auch Lageenergie.
  Nach Erreichen des höchsten Punktes seiner Flugbahn wiederholt sich der ganze Vorgang.
  Mit der Zeit wird die vom Ball erreichte Höhe kleiner, da Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
• Weitere Beispiele für die Umwandlung zwischen verschiedenen Energieformen:
• Wellrad
  
  Im aufgewickelten Zustand besitzt das Wellrad Lagenergie.
  Indem es Lageenergie abgibt, fängt es an, sich zu drehen (Bewegungsenergie) und dabei abzusinken.
  Im untersten Punkt bewirkt die Drehbewegung, dass sich der Bindfaden auf der Welle wieder aufwickelt und das Rad hochsteigt.
• Trinkende Ente
  
  Durch das "Trinken" ist der Kopf der Ente nass und kühlt bei Bewegung stark aus, damit auch die Luft im Kopf.
  Die blaue Flüssigkeit besteht aus Alkohol, der sehr leicht verdampft.
  Wird die Luft im unteren Bereich erwärmt, verdunstet dort der Alkohol und durch den entstehenden Überdruck wird der Alkohol im Rohr hochgedrückt.
  Ist die Alkoholsäule fast bis zunm Kopf vorgedrungen, bekommt die Ente Übergewicht und kippt nach vorn.
  Dabei wird der Kopf im Wasser neu angefeuchtet und die blaue Flüssigkeit kann zurück in den unteren Gefäßabschnitt laufen.
  Auch kühle Luft aus dem Kopf gelangt so nach unten.
  Dann wiederholt sich der ganze Vorgang.
  Bei der Trinkente wird Energie zwischen Lageenergie, Bewegungsenergie und Wärme ausgetauscht.
• Heißluftmotor
  
  Nur mit ein bis 3 Teelichten als Energiequelle läuft dieser selbstgebaute Motor.
  Auch hier findet ein Austausch zwischen Lageenergie, Bewegungsenergie und Wärme statt.

• Wir haben Energiearten nach ihrer Erzeugung zusammengestellt:
• elektrische Energie
• Wärmeenergie (oder innere Energie)
• mechanische Energie
• Strahlungsenergie
• chemische Energie
• Kernenergie
• Beispiel für diese Energieformen:
  Ein Heizkörper gibt Energie in Form von 
• Strahlungsenergie ab: Man spürt neben einem Heizkörper ohne anzufassen die Wärme.
• Wärmeleitung ab: Ein auf dem Heizkörper abgelegtes Handtunch wird schnell trocken.
• mechanische Energie ab: Erwärmte Luft steigt nach oben (Konvektion) und erwärmt dadurch den ganzen Raum.
• Wärme ist Bewegungsenergie der Atome und Moleküle
  Wird ein Körper wärmer, bewegen sich die Atome und Moleküle mehr und benötigen dazu auch mehr Platz.
  Wir haben das in einem Versuch gesehen:
  
  Wird eine Metallkugel, die bei Zimmertemperatur soeben durch einen Eisenring passt, stark erhitzt, so dehnt sie sich aus und passt nicht mehr durch den Ring.
  Kühlt sie sich mit der Zeit ab, wird sie kleiner und fällt dann schließlich durch den Ring hindurch.
  In letzter Zeit ging die Meldung durch die Zeitungen, dass der Mond in der Vergangenheit geschrumpft sei.
  Dieses Schrumpfen wird darauf zurück geführt, dass ursprünglich glutflüssige Materie im Mondinneren sich abgekühlt habe und dabei geschrumpft sei.
• Versuch zur "gefühlten" Wärme
  
  Die drei Platten (von links nach rechts Schaumgummi, Kunststoff, Metall) fühlen sich unterschiedlich warm an, obwohl sie schon sehr lange gemeinsam an derselben Stelle im Raum gelegen haben.
  Grund: Metall ist ein besserer Wärmeleiter als Kunststoff und führt daher die Körperwärme des Menschen besser ab als Kunststoff. Da die Körperwärme beim Metall verloren geht, fühlt sich das Metall kälter an als der Kunststoff. Vorsicht im Winter beim Anfassen von Metallen ohne Handschuhe! Die Haut kann schnell am Metall fest frieren!
  Schaumgummi fühlt sich wärmer an als Kunststoff, weil im Schaumgummi viele kleine Luftbläschen eingeschlossen sind, die die Wärme fast nicht weiter geben.
• Versuch zum Leslie-Würfel
  
  Der Würfel ist mit 4 unterschiedlichen Seiten ausgestattet: schwarz-matt, silber-matt, Messing-poliert, Stahl-spiegelnd.
  Der Würfel wird mit sehr heißem Wasser gefüllt.
  Mit einem Infrarotsensor wird nun die Strahlung der verschiedenen Seiten registriert:
  schwarz-matt: 7,1 ; silber-matt: 3,1 ; Messing-poliert: 1,8 ; Stahl-spiegelnd: 0,7
  Man sieht: Je dunkler und je rauer die Oberfläche ist, desto mehr Strahlungsenergie wird abgegeben (und übrigens auch aufgenommen - deshalb sind Milchlaster silbern, um die Milch kalt zu halten. Die Oberfläche wird aufgeraut, damit andere Autofahrer nicht durch Spiegelungen geblendet werden).

• In der Stunde ging es um die Frage, wie Energien umgeformt werden können.
  Wir lernten dabei eine relativ neue und sparsame Möglichkeit für die Funktion einer Kochplatte kennen, den Induktionsherd.
  Während beim Kohleherd und Gasherd viel Energie neben den Töpfen in die Luft entweicht und beim Elektroherd viel Energie ungenutzt bleibt, weil die Kochplatte nach dem Erhitzen noch lange heiß bleibt, wird beim Induktionsherd nur der Boden des Kochtopfes erwärmt, nicht aber die umgebende Luft. Die Kochstelle bleibt kalt, wird allerdings vom heißen Kochtopf erwärmt.
     
  Zum Kochen mit einem Induktionsherd benötigt man Töpfe, die einen magnetisierbaren Bodenbesitzen.
  Im Aluminiumtopf bleibt das Wasser kalt, während es in der Blechbüchse sehr schnell zum Kochen gebracht wird.
• Beim Umformen der Energien wird keine neue Energie erzeugt. Dagegen geht bei (fast) jeder Energieumformung etwas Energie "verloren", d.h. etwas Energie wird zu "innerer Energie", also zu Wärme.
• Es gab und gibt aber Menschen, die glauben daran, Maschinen erfunden zu haben, die ohne Energiezufuhr unendlich lange laufen können und die möglicherweise sogar noch Energie dabei erzeugen.
  Ein sehr altes Beispiel ist die Maschine, die von Wasser angetrieben wird und einem Scherenschleifer dient. Gleichzeitig transportiert die Maschine das gebrauchte Wasser wieder in das Vorrastsgefäß. Leider ist das so aber nicht möglich. Ein Perpetuum Mobile gibt es nicht.
  
• Hier einige von Euch ausgesuchte Links zum Thema Perpetuum Mobile:
  Texte zum Thema: 1 , 2 , 3 , 4
  Texte und Bilder: 1 , 2 , 3 , 4
  Filme: 1 , 2 , 3 , 4
  Linksammlung: 1 
  Kein Perpetuum Mobile, aber sehr lange laufende Maschinen: 1 , 2

• Energietransport und Energiespeicherung
  Unter anderem haben wir uns unterhalten, wie durch einen Heizkörper ein Zimmer geheizt wird und warum dieser Heizkörper meistens unter dem Fenster angebracht ist.
  Dazu gab es folgenden Versuch zur Wärmekonvektion:
  
  In ein mit Wasser gefülltes Rohr wird oben durch die Öffnung ein Färbemittel eingefüllt.
  Wird die rechte untere Seite des Rohrs erhitzt, steigt das erwärmte Wasser nach oben und verdrängt dort das kalte Wasser.
  Dadurch kommt ein Wasserkreislauf entgegen dem Uhrzeiger zustande. Das Färbemittel wird bei diesem Wasserkreislauf mitgeführt.
• Eine Heizung strahlt Wärme ab, gibt Wärme durch Wärmeleitung eigentlich nur dann ab, wenn Gegenstände zum Trocknen auf den Heizkörper gelegt werden und heizt den Raum durch Wärmekonvektion.
  Es ist günstiger, den Heizkörper unter das Fenster zu stellen, weil dann zwar die Luft beim Aufsteigen etwas am Fenster abgekühlt wird, dann aber mit etwa gleichbleibender Wärme an der Decke, der gegenüberliegenden Wand und dem Fußboden wieder zurück zum Heizkörper fließt.
  Würde der Heizkörper an der dem Fenster gegenüberliegenden Wand aufgestellt, so würde die heiße Luft an der Decke entlang geführt, dann am Fenster abgekühlt und schließlich als kalte Luft auf dem Fußboden zum Heizkörper zurück geführt. Die Folge wäre, dass es an der Decke sehr heiß wäre, man aber kalte Füße hätte.
• Hausaufgabe: Tabelle mit Spalten für "Energieart", "Transport der Energie" und "Speicherung der Energie".

• Energiespeicherung
  Wir haben uns ausführlich über die Entstehung von Erdöl und Erdgas unterhalten und gesehen, wie man nach Erdöl und Erdgas sucht und wie man diese Energieträger fördert.
• Energieentwertung
  Energieformen können sich ineinander umformen, aber schließlich werden alle Energieformen in innere Energie (Wärme) umgewandelt.
• Energiemessung
  Das in jedem Haushalt installierte Energiemessgerät misst die Spannung und den geflossenen Strom. Daraus wird die verbrauchte Energie ermittelt.
  Beim Erhitzen von Wasser mit einem Tauchsieder drehte sich die Scheibe im Energiezähler jeweils in 15 Minuten etwa 20-mal.
  Die Temperatur des Wassers nahm alle 15s um knapp 2°C zu.

• Wiederholung zur Klassenarbeit
• Noch ein Beispiel für eine Energiemessung
      
• Wir haben für 1 Lampe im Stromkreis den Energieverbrauch gemessen, indem wir gezählt haben, wie lange es dauerte, bis die rote Markierung am Rad des Energiemessgerätes wieder an einer bestimmten Stelle zu sehen war.  
  Es ergaben sich etwa 12 Sekunden.
• Wurden 2 Lampen in Reihe geschaltet (Bild links), waren es etwas über 20 Sekunden, d.h. der Energieverbrauch ging zurück.
  Das kam daher, dass die Elektronen nun durch beide Lammpen mussten und die Stromstärke und damit auch die Leuchtkraft der Lampe geringer waren.
• Bei einer Parallelschaltung (Bild rechts) leuchteten die Lampen so hell wie bei einer einzigen Lampe im Stromkreis und das Rad am Zähler war schon nach 6 Sekunden wieder zu sehen, d.h. der Energieverbrauch war doppelt so hoch wie bei einer Lampe.
  Bei Parallelschaltung gilt: Die verbrauchte Energie ist proportional zur Anzahl der Lampen.
• Da bei der Lageenergie die Energie proportional zur Masse und zur Höhe zunimmt, kann mit der Information "Ein Körper der Masse 1kg besitzt in der Höhe 1m die Lageenergie 10J (Joule)" für andere Massen und Höhen die Lageenergie ausgerechnet werden.
  Beispiel: Fährt ein Auto der Masse 1000kg auf einen 500m hohen Berg, so gewinnt das Auto 5 000 000 J an Lageenergie: 10J mal 1000 mal 500.
• Da bei der Wärmeenergie (innere Energie) die Energie proportional zur Masse und zur Temperaturänderung zunimmt, kann mit der Information "Eine Wassermenge der Masse 1kg gewinnt bei einer Temperaturzunahme von 1°C die Energie 4200J=4,2kJ (Kilo-Joule)" für andere Wassermengen und Temperaturzu- oder -abnahmen die Änderung der inneren Energie ausgerechnet werden.
  Beispiel: Erwärmt man 2 Liter Wasser (2kg) von 20°C auf 90°C, so speichert dabei das Wasser die Energie 588 000 J = 588kJ : 4200J mal 2 mal 70.

• Klassenarbeit 1

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]