Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 7d

Energie

• Energiearten
  An Beispielen haben wir folgende Energiearten kennengelernt:
  Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannungsenergie, Wärme, Drehenergie
  
• Energiewandler
  
  Wir haben gesehen: Die Energiearten können ineinander umgeformt werden
• Luft und feste Körper, die erwärmt werden, dehnen sich aus.
  Kühlen sich Luft und feste Körper ab, so ziehen sie sich zusammen.
  Wärme ist Bewegung der kleinsten Teilchen in der Materie.

• Weitere Übungen zu Energien und Energieübertragungen.
  
• Auf der CD, die im Physikbuch liegt, haben wir Beispiele zu verschiedenen Energieformen untersucht.
• Schallenergie haben wir an Hand einer Stimmgabel untersucht.
  
  Eine Stimmgabel mit Reiter (metallisches Aufsatzstück, siehe linke Stimmgabel) klingt tiefer als eine Stimmgabel ohne Reiter.
  Der Kasten unter der Stimmgabel ist der Resonanzkörper, der die Stimmgabel laut klingen lässt.
  Sind beide Stimmgabeln ohne Reiter, so klingt die eine mit, wenn die andere angeschlagen wird.
  
• 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.
• 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: 5,8 ; silber-matt: 2,4 ; Messing-poliert: 1,4 ; Stahl-spiegelnd: 0,4
  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).

• Auf der CD, die im Lehrbuch liegt, befinden sich Simulationen, mit denen man gut erkennen kann, wie Diffusion, Brownsche Bewegung und Wärmeleitung funktionieren.
  
• Dann 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.
• Zur Umformung von Lageenergie in kinetische Energie und umgekehrt haben wir uns den Film über den Weihrauchkessel in Santiago de Compostella angeschaut.

• 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.
• Link zum Transport von Wärme: Leitung, Konvektion, Strahlung
• Link zum Wettergeschehen bei Hoch- und Tiefdruckgebieten

• Aus aktuellem Anlass haben wir uns darüber Gedanken gemacht, woher der Strom kommen kann, wenn die Atomkraftwerke in Deutschland abgeschaltet werden sollen.
  Wir haben gesehen, dass es noch Öl, Gas und Kohle gibt, dass diese Energiespeicher aber bald aufgebraucht sein werden.
  Diese Energievorräte sind in sehr langen Zeiträumen (Millionen von Jahren) angesammelt worden, nun haben wir sie innerhalb weniger Jahrhunderte zum großen Teil verbraucht.
• Zum Glück gibt es erneuerbare Energien, die alle ihren Ursprung in der Sonnenenergie haben: Wasserkraft, Solarenergie, Windenergie, Biogas, Energie aus Pflanzen.
• Wie Wasserkraft funktioniert, haben wir an einem kleinen Modell gesehen:
  
• Turbinen werden auch in anderen großen Kraftwerken benutzt: Kernkraftwerke, Gaskraftwerke, Ölkraftwerke, Kohlekraftwerke, Sonnenkraftwerke.
  In diesen Kraftwerken kommt es darauf an, Wasser so stark zu erhitzen, dass man mit dem Wasserdampf Turbinen antreiben kann.
• Eine andere Art, mit Dampf Maschinen anzutreiben, ist z.B. bei der Dampfmaschine verwirklicht worden. Das Prinzip der Dampfmaschine wurde dann später auf den Verbrennungsmotor übertragen.
  Hier 3 Modelle: von links nach rechts Dampfmaschine, 4-Takt-Ottomotor, 2-Takt-Ottomotor
  

• Bei Energieumwandlungen geht keine Energie verloren.
  Es wird aber Energie entwertet.
  Das heißt, dass sich Energie in Energiearten umwandelt, mit denen man nicht mehr so viel Arbeit verrichten kann wie vorher.
  Bei wiederholten Energieumwandlungen entsteht immer mehr Wärme (innere Energie).
• Beispiele:
       
  Eine Kugel pendelt an einem Faden hin und her.
  Lageenergie wird in Bewegungsenergie und Bewegungsenergie in Lageenergie umgewandelt.
  Es lässt sich aber nicht verhindern, dass die Bewegung durch Luftreibung und Reibung an der Aufhängung immer weniger wird.
  Die Energie geht immer mehr in innerer Energie der Luft oder der Aufhängung über.
  Wird ein Papiertuch an der Kugel befestigt, so kommt das Pendel viel schneller zur Ruhe, weil der Luftwiderstand größer ist.
  In der Simulation (CD aus dem Buch) haben wir den Vorgang an einem Pendel mit großer angehängter Masse untersuchen können.
• Dynamo, Motor
       
  Ein Massestück dreht beim Fallen einen Dynamo.
  Die entstehende Spannung wird mit dem Messgerät nachgewiesen.
  Der Versuch, mit dem erzeugten Strom einen zweiten Dynamo (als Motor) zu betreiben, um ein (sogar leichteres) Massestück anzuheben, scheitert.
  Es geht zu viel Energie verloren (d.h. geht in Wärme bzw. innere Energie über), als dass der Motor überhaupt anfangen würde, sich ohne angehängte Masse zu drehen.

• Rechnungen zum Thema Energie
  Wir haben mit 3 physikalischen Größen gerechnet:
• Stromstärke I
  wird gemessen in Ampere, abgekürzt A
  kleine Stromstärken werden in mA (Milli-Ampere) angegeben
  1A=1000mA
• Spannung U
  wird gemessen in Volt, abgekürzt V
• Energiestromstärke oder Leistung P
  wird gemessen in Watt, abgekürzt W
• Der Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch eine Gleichung gegeben: P=U·I
  Man erkennt gut, dass die Energiestromstärke/Leistung größer wird, wenn die Spannung größer wird und/oder wenn die Stromstärke größer wird.
• Rechenbeispiele:
• Auf einer Glühlampe steht 3,5V und 300mA. Wie groß ist die Leistung der Glühlampe?
  Es gilt 300mA=0,3A.
  Die Leistung ist P=U·I=3,5V·0,3A=11,5VA=11,5W
• Auf einer Glühlampe steht 220V und 60W. Wie groß ist die Stromstärke?
  P=U·I → I=P/U=60W/220V=0,27A.
  Die Stromstärke beträgt also etwa 270mA.

• Noch ein Beispiel für eine Energiemessung
      
• Wir haben für 1 Lampe (100W) im Stromkreis den Energieverbrauch gemessen, indem wir gezählt haben, wie lange es dauerte, bis die rote Markierung am Rad des Energiemessgerätes zum 10. Mal wieder an einer bestimmten Stelle zu sehen war.  
  Es ergaben sich etwa 24 Sekunden.
• Bei einer Lampe von 60W ergab sich ein Zeitraum von 40 Sekunden.
• Multipliziert man die Leistung in Watt mit der Zeit in Sekuinden, so ergibt sich derselbe Wert: 100W·24s=2400Ws ; 60W·40s=2400Ws.
  Die Leistung und die Zeit sind also antiproportionale Größen.
• Weitere Abhängigkeiten in Verbindung mit Energie:
• elektrischer Strom:
  Je mehr Energie verbraucht wird, desto schneller dreht sich das Rad im Energiezähler.
  Bei 2-facher Energie dreht sich das Rad doppelt so schnell und braucht deshalb nur die halbe Zeit.
• Erwärmung von Wasser:
  Die Temperaturzunahme ist proportional zur genutzten Energie.
  Die Temperaturzunahme ist proportional zur Zeit.
  Die Temperaturzunahme ist antiproportional zur Menge des Wassers.
  Bei verschiedenen Tauchsiedern ist die Temperaturzunahme bei gleicher Energiezufuhr gleich.
  Nur: bei einem Tauchsieder mit größerer Leistung geschieht die Erwärmung schneller: doppelte Leistung - halbe Zeit
• Heben eines Körpers:
  Die Höhe ist proportional zur Energie.
  Die Zeit ist antiproportional zur Leistung des Krans.
  Die Energie ist proportional zur gehobenen Masse.
  Die Masse ist proportional zur Zeit.

• Wiederholung zur Arbeit
• Elektrische Energie wird meist angegeben in kWh (=Kilowatt*Stunden)
  Es gilt "elektrische Leistung mal Zeit = elektrische Energie" oder P·t=E.
  Daraus folgt 1 W · 1 s = 1 J oder 1 W · 1 h = 3600 J oder 1 kW ·1 h = 3600 kJ.
  Beispielaufgabe:
  Eine vergessene Glühlampe der Leistung P = 40 W leuchtet die ganzen Ferien lang (2 Wochen, also 14 Tage).
  Wieviel Energie wird dabei verschwendet?
  Lösung:
  Jeder Tag hat 24 Stunden, also leuchtet die Lampe 14·24 Stunden = 336 Stunden.
  Da die Lampe die Leistung P = 40 W besitzt, folgt daraus die Energie E = P · t = 40 W · 336 h = 13440 Wh = 13,44 kWh
  
• Innere Energie
  Bei gleicher Masse ist die Temperaturerhöhung proportional zur Energie.
  Bei gleicher Temperatur ist die benötigte Energiemenge proportional zur Masse.
  Beispielaufgabe:
  1 kg Wasser (1 Liter) wird durch die Energie 42 kJ um 10°C erwärmt.
  Wieviel Energie benötigt man, damit 4 kg Wasser um 20°C erwärmt werden?
  Lösung:
  1 kg            42 kJ                     10°C
  4 kg          4·42 kJ = 168 kJ       10°C
  4 kg       2·4·42 kJ = 336 kJ        20°C
  Man benötigt also die Energie 336 kJ.
• Mechanische Energie
  Wird ein Körper hoch gehoben, so ist die benötigte Energie proportional zur Höhe und proportional zur Masse des Körpers.
  Beispielaufgabe:
  Um 1 kg um 1 m hoch zu heben, benötigt man die Energie 10 J.
  Mit der Energie 600 J werden 20 kg hoch gehoben. Wie groß ist die erreichte Höhe?
  Lösung:
  1 kg           1 m                   10 J
  20 kg          1 m                20·10 J = 200 J
  20 kg        3·1 m = 3 m      600 J = 3·200 J
  Der Körper wird also 3 m hoch gehoben.
• Weitere Wiederholung: Im Buch das erste Kapitel über Energie anschauen (Seiten 7 bis 48), vor allem auch die Wiederholungs-Abschnitteund Übungen auf den Seiten 46 bis 48.

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]