Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 9c

Energieübertragung

2012-04-18 (Danke an den Praktikanten H.K. für diese Stunde)

Wiederholung des Energiebegriffs an Stationen:

Bekannte und wichtige Energieformen sind:

Celina: "Energien werden weder verbraucht noch erzeugt, sondern nur umgewandelt"
In einem Versuch an der schiefen Ebene habt Ihr herausgefunden:

Der Faktor F·s ist bei konstanter Maximalhöhe und bei verschiedenen Fahrbahnneigungen konstant.
Da die Energie E bei konstantem Höhenunterschied auch konstant ist, bietet sich die Definition E=F·s für die Energie an.
Energie wird in der Einheit Nm oder J (Joule) angegeben.

2012-05-22

Die mechanische Energie berechnet sich aus dem Produkt von Kraft und Weg, wobei die Kraft berücksichtigt wird, die in Richtung des Weges wirkt.
E=F_s·s
Beispiel: Einen Stuhl mit Rollen kann man sehr leicht auf dem Fußboden bewegen, da nur Kraft für das Überwinden der Reibung aufgewendet werden muss.
Wird der Stuhl hochgehoben, so ist das wesentlich schwieriger, weil jetzt Kraft für die Überwindung der Gewichtskraft aufgewendet werden muss.
Wird ein Körper um einen bestimmten Höhenunterschied angehoben, so erhält er damit immer dieselbe Energie, ganz gleich, auf welchem Weg er angehoben wurde.
Auf einer Schräge benötigt man weniger Kraft, muss dafür aber einen weiteren Weg zurücklegen, als wenn man den Körper senkrecht anhebt (dann benötigt man mehr Kraft, der Weg ist aber kürzer).
Kraft mal Weg (F_s·s) hat immer denselben Wert, also ist die Energie auch immer gleich.
Am selben Ort sind Gewichtskraft und Masse zueinander proportional: F~m.
Den Proportionalitätsfaktor g in der Gleichung F=m·g nennt man Ortsfaktor, weil er abhängig vom Ort ist.
An der Erdoberfläche hat dieser Faktor gerundet den Wert g=10 N/kg. Man kann auf der Erde deshalb sehr einfach von der Masse auf die Gewichtskraft schließen, indem man den Wert der Masse (in kg) mit 10 multipliziert und dann den Wert der Kraft (in N) erhält.
Ein Arbeitsblatt diente zum Einüben in das Vergleichen und Berechnen verschiedener Energien.

2012-06-12

Ohne Reibung bleibt die Gesamtenergie erhalten.
Die Summe aus Lageenergie und Bewegungsenergie bleibt konstant.
Mit Reibung nimmt der Wert der Summe von Lageenergie und Bewegungsenergie ständig ab, gleichzeitig steigt aber der Wert für die innere Energie (Wärme) so an, dass die Summe aller 3 Energiearten wieder eine Konstante ergibt.

Bei der Auswertung von Bildern einer Wärmebildkamera (Simulation) erkannten wir, wie durch Lagerreibung bei einem Pendel und beim Aufprall einer Kugel auf der Erde Energie in innere Energie überführt wird.
Übungen zur Energieformel mit Umstellungen der Formeln:

2012-06-19

Wir haben folgende Formel hergeleitet bzw. besprochen und dazu Aufgaben gerechnet:

E: Energie in J ; F: Kraft in N ; P: Leistung/Energiestromstärke in W ; s: Weg in m ; t: Zeit in s

2012-06-25

Kann man mit Sonnenenergie die Schule mit Strom versorgen?
Annahme: Das ganze Dach der Schule wird mit Solarzellen bestückt.
1. Schritt: Wieviel Energie liefert uns die Sonne?
Die Sonne sendet pro Sekunde auf einen Quadratmeter der Erde (bei senkrechtem Lichteinfall) die Energie 1,37 kJ (Solarkonstante S_E).
Um die gesamte von der Erde absorbierte Sonnenenrgie zu bestimmen, betrachtet man einfach die Fläche des kreisförmigen Schattens, den die Erde wirft. Bei einem Erdradius von 6370 km sind das 1,275·10¹⁴ m².
Die in 1 Sekunde von der Erde aufgenommene Energie ist also 1370 J · 1,275·10¹⁴ m² = 1,75·10¹⁷ J.
Die gesamte Erdoberfläche berechnet sich zu O_Erde = 4·π·r²= 5,1·10¹⁴ m².
Verteilt man die von der Erde aufgenommene Energie auf die ganze Oberfläche, so erhält 1 Quadratmeter in 1 Sekunde
1,75·10¹⁷ J / 5,1·10¹⁴ m² = 343 J, d. h. die Leistung ist 343 W/m².
Durch Luft und Wolken wird dieser Wert allerdings in Wirklichkeit auf 175 W/m² erniedrigt und wegen des immer nur schrägen Lichteinfalls gilt für Deutschland 110 W/m².
Mit der Schätzung für die Energieversorgung der Schule sind wir nicht fertig geworden.
Hausaufgabe: Auf Grund Eurer Schätzungen Berechnung der durch Solarzellen erzielbaren Energie.

2012-07-03

Sehr viel Energie wird im Haushalt beim Duschen/Baden verbraucht.
Im Schülerversuch haben wir uns deshalb mit der Frage beschäftigt, wieviel Energie man zum Erwärmen von Wasser benötigt?
Dazu wurden verschiedene Mengen Wasser der Massen m₁ und m₂ durch einen kleinen "Tauchsieder" (eine Drahtspirale, die von Strom durchflossen wurde) erhitzt und die Temperatur wurde in Abhängigkeit von der vergangenen Zeit registriert.
Hier die Rohdaten dreier Versuchsgruppen:
Hausaufgabe: Wertet diese Messreihen aus.
Achtet dabei auch auf folgende Punkte:

Wie sind die 3 Gruppen beim Messen vorgegangen?
Sind alle Messwerte "verlässlich" oder liegen irgendwo mit großer Wahrscheinlichkeit Messfehler vor?
Ist es notwendig gewesen, dass die Gruppe 1 so oft Spannung und Stromstärke gemessen hat?
Gibt es weitere Auffälligkeiten bei den Messwerten?

Die elektrische Leistung berechnet sich aus P=U·I
Die elektrische Energie berechnet sich aus ΔE=P·Δt=U·I·Δt
Es soll ein Zusammenhang zwischen ΔE (Energiebetrag) und m (Masse des Wassers) und Δϑ (Temperaturdifferenz) gefunden werden.
Dazu soll eine Gleichung aufgestellt werden, bei der links nur ΔE steht und rechts m und Δϑ vorkommen.

2012-07-17