Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 7a

Energie

• Als Einführung in das Thema Energie haben wir zusammengetragen, wo überall uns Energie in unserem Leben begegnet.
  Wir haben schließlich 4 Bereiche gefunden, denen wir die genannten Begriffe zuordnen konnten:
  Natur (Pflanzen Tiere), Industrie, Haushalt, Verkehr
• In einem kleinen Exkurs haben wir dann noch gelernt, wie in der Sonne durch Fusion die Sonnenenergie entsteht.
• Zwei Spielzeuge haben uns gezeigt, welche verschiedenen Energien es gibt und wie die Energieformen ineinander umgeformt werden können.
     
  In der nächsten Stunde werden wir uns die beteiligten Energiearten etwas näher ansehen.

• Für den 3-Flügel-Flieger haben wir sehr ausführlich behandelt, warum sich der Flieger um seine Achse dreht (Rückstoß).
• Leonie und Ricarda haben sehr schöne Fahrzeuge gebastelt und mit zum Unterricht gebracht:
• Leonies Auto fährt mit einem Gummiband-Motor:
       
  
• Ricardas Auto fährt mit Gasantrieb (Druckluft):
  
  
• An mehreren Beispielen haben wir untersucht, welche Energiearten es gibt und wie Energien ineinander umgewandelt werden können:
  
• Einige wichtige Energien:
• Spannenergie
• Bewegungsenergie
• Lageenergie
• Innere Energie (Wärme)

• Zunächst hat ein Team das neueste Fahrzeug mit Gummibandmotor vorgestellt:
  
  Sehr schön: Aufdrehen des Gummibandes mit Hilfe einer Zahnrad-Übersetzung und eingebaute Handbremse!
• Bei der Frage, was Wärme ist, haben wir schon verschiedene Aspekte besprochen:
• Wärme scheint etwas mit Energie und Licht zu tun zu haben.
• Das Flirren auf heißen Straßen und über Kerzenflammen hat mit der Brechung des Lichts an verschieden warmen Luftschichten zu tun.
• Wärme ist Infrarot-Licht.
  Zerlegt man Licht in seine "Bestandteile", also in Farben, so schließt sich das infrarote Licht an das rote Licht an und das UV-Licht an das blaue Licht.
  Ein sichtbares Spektrum des hellen Himmels haben wir erzeugt:
  
  Ein Gerät (Thermosäule), mit dem man besonders gut Wärme "sehen" kann, haben wir dann benutzt, um die Wärme unserer Gesichter zu messen:
  
  
• Unser "Auge" für Wärme ist die Haut. Wir können mit der Handinnenfläche recht gut warme Gegenstände "sehen".
• Auf der CD, die zu unserem Physikbuch gehört, kann man die Funktionsweise einer Wärmebildkamera ausprobieren.

• Wie hängt Wärme mit Energie zusammen?
  
  Wir klären das an Hand von Wasser:
• fest
  Ist Wasser sehr kalt, so kristallisiert es zu Eis oder Schnee. Das Wasser ist fest, alle Atome des Wassers behalten ihre Nachbarn. Eine Verschiebung der Atome gibt es nicht.
• flüssig
  Wird Wasser erwärmt, so bewegen sich die Atome immer mehr, bis sie ihre gegenseitigen Bindungen aufbrechen und gegeneinander ausgetauscht werden können. Dann ist das Wasser flüssig.
• gasförmig
  Wird das Wasser weiter erwärmt, kocht es schließlich. Die Atome bewegen sich so schnell, dass sie das Wasser verlassen können und als Wasserdampf in die Luft entweichen.
• Wärme ist die Bewegungsenergie der Atome und der Moleküle.
• Im Wasserbad wird eine Glasröhre erwärmt, in der die Luft nach oben durch einen Quecksilbertropfen abgeschlossen ist.
  Je wärmer das umgebende Wasser ist, desto mehr dehnt sich die Luft in der Röhre aus.
  Dadurch wird der Quecksilbertropfen nach oben geschoben.
  Wir haben für 2 Temperaturen die Lage der Unterkante des Quecksilbertropfens gemessen:
  Temperatur 20°C ; Skala 25,0
  Temperatur 40°C ; Skala 26,5
  
  Wir nehmen an, dass die Lage des Quecksilbertropfens gleichmäßig mit der Temperatur wächst.
  Neugierige Frage: Trifft die Gerade irgendwo auf die waagrechte Achse (Temperaturachse)? Dort wäre das Volumen des Gases gleich 0!
  Wählen wir auf der Temperatur-Achse die Abstände anders, so sehen wir, dass etwa bei -300°C das Volumen gleich 0 sein müsste. In Wirklichkeit ist das bei etwa -273,15°C der Fall.
  
  Diese Temperatur nimmt man als Anfang einer anderen Temperaturskala, der Kelvin-Skala. 0K=-273,15°C.
  Eine tiefere Temperatur gibt es nicht, denn bei 0K bewegen sich die Atome nicht mehr und weniger Bewegung als keine Bewegung gibt es nicht.
• In Michael Endes Buch "Jim Knopf und Lukas der Lokomotivführer" fahren die beiden durch das Tal der Dämmerung.
  Dieses Tal hat die Eigenschaft, dass Töne, die dort erzeugt werden, nicht mehr aus dem Tal herauskommen und durch Echo-Wirkung immer wieder im Tal hin- und hergehen und dass sich dabei die Töne verstärken.
  Warum geht das nicht? Weil Energie sich zwar in verschiedene Energieformen umwandeln, aber nicht von selbst vermehren kann.
• Manche Leute wollen das nicht wahr haben und denken sich Maschinen (Perpetuum mobile) aus, von denen sie behaupten, dass sie Energie erzeugen können. Das ist aber nicht möglich.
  Der Maler Escher hat ein Bild gemalt (rechtes Bild), das so ein Perpetuum mobile zeigen würde, wenn es denn existieren könnte.
  

• Wärme ist Bewegungsenergie der Moleküle.
• Versuch zur Wärmeleitung
  
  Melina hat für uns gemessen, welche Stäbe der Reihe nach am oberen Ende warm wurden, wenn sie alle gleichzeitig ins heiße Wasser gestellt wurden:
  
• Die Auswirkung von Wärme/Bewegungsenergie der Atome haben wir an Simulationen (von der CD) besprochen (die Links geben weitere Informationen, die wir noch nicht angeschaut haben):
• Wärmeleitung im festen Körper
• Diffusion
• Brownsche Molekularbewegung

• Versuche zur Wärme
• Wärmeausdehnung
  
  Die kalte Kugel passt gut durch den Metallring.
  Wird die Kugel in der Flamme erhitzt, passt sie nicht mehr durch den Ring.
  Liegt die heiße Kugel einige Zeit auf dem Ring, fällt sie hindurch, danach aber passt sie wieder nicht mehr.
  Warum ist das so?
  Wird die Kugel erhitzt, dehnt sie sich aus.
  Auch der Metallring, auf dem die Kugel liegt, wird durch die Kugel erhitzt und dehnt sich aus, sodass die kugel dann hindurchfallen kann.
  Dann kühlt sich aber der Ring ab und wird wieder enger, sodass die Kugel, die die Wärme in sich länger hält, nicht hindurchpasst.
  Dieses Aufwärmen und Abkühlen des Ringes wiederholt sich mehrere Male, bis die Kugel zu sehr abgekühlt ist.
• Wärmestrahlung
  
  Die Wärmestrahlunglampe sendet kein sichtbares Licht aus.
  Trifft die Wärmestrahlung auf die Lichtmühle, dreht sie sich in schnellem Tempo.
  Warum?
  Die Flächen der Lichtmühle sind auf der einen Seite schwarz und auf der anderen Seite silbern-glänzend.
  Die schwarze Seite erwärmt sich durch die Strahlung stärker als die silberne Seite.
  Treffen Lufteilchen auf die Flächen, so werden diese auf der wärmeren schwarzen stärker beschleunigt als auf der silbernen Seite.
  Durch den Rückstoß wird die Fläche daher so gedreht, dass die silberne Seite in Drehrichtung liegt.
• Strahlungsintensität verschiedener Materialien
  
  Die 4 Seitenteile eines Leslie-Würfels bestehen aus unterschiedlichen Materialien: silbern-glänzend, silbern-matt, dunkel-glänzend, dukel-matt.
  Der Würfel wird mit heißem Wasser gefüllt.
  Die Strahlung der 4 Seiten wird mit einer Thermosäule gemessen.
  Es zeigt sich, dass
  - die dunklen Seiten stärker strahlen als die silbernen Seiten,
  - die matten Seiten stärker strahlen als die glänzenden Seiten.
  Materialien, die die Wärme besonders gut aufnehmen, strahlen auch am besten Wärme ab.
• Beispiel:
  Milchlaster müssen die Milch kühl halten.
  Sie haben deshalb eine silberne Oberfläche.
  Am besten isoliert wären sie, wenn die Oberfläche sehr gut verspiegelt wäre.
  Da dann aber durch einfallendes Sonennlicht die anderen Autofahrer geblendet würden, wird die silberne Oberfläche angeraut (oft werden Kreise geschliffen).

• Physikalische Aufarbeitung des Stratosphären-Rekordsprungs von Felix Baumgartner.
• Temperaturprofil
  
• Form des Ballons in unterschiedlichen Höhen
• Gewichtskraft, Luft-Reibungskraft, Geschwindigkeitsdiagramm
• Siehe auch folgende Links: Text , Text+Video , Video , Video , Leifi-Artikel
• Anleitung zur Simulation des Falls mit einer Tabellenkalkulation:
  auf dieser Seite "500-13126 Excel_Tabellenblatt_Fallschirmsprung" anklicken.
  
• Im Zusammenhang mit dem Thema haben wir durch Versuche folgende Erkenntnisse gewonnen:
• Fallen 2 Körper aus unterschiedlicher Höhe, dann bleibt ihr Abstand in senkrechter Richtung gemessen gleich (falls keine Reibung herrscht, also z. B. im Vakuum).
  
• Alle Körper fallen gleich schnell, wenn man den Luftwiderstand und Kräfte von außen nicht beachtet.
  
• Warme Luft steigt nach oben, weil die Dichte von warmer Luft geringer ist als die von kalter Luft.
  Da Helium eine geringere Dichte hat als unsere Umgebungsluft, steigt der mit Helium gefüllte Ballon nach oben.
  Man darf in den Ballon nicht zu viel Helium füllen, weil das Helium bei geringerem Luftdruck einen immer größeren Raum einnimmt.

• Nachdem wir in den letzten Stunden den Wärmetransport durch Strahlung und Wärmeleitung besprochen haben, zeigte der Versuch, wie Wärme durch Konvektion transportiert werden kann:
  
  Die Flamme unten links erwärmt das Wasser im Rohr.
  Dadurch steigt das Wasser auf und fließt im Uhrzeigersinn durch das Rohr.
  Ein Farbmittel, das oben in das Wasser gegeben wurde, zeigt die Bewegung des Wassers an.
• Als Beispiel für Luftkonvektion haben wir die verschiedenen Methoden der Heizung eines Raums besprochen:
  Früher mit einem Ofen, der dem Fenster gegenüber an der Wand stand, heute mit Heizkörpern direkt unter den Fenstern.
• Weitere Möglichkeiten des Energietransportes können durch Benzin, Holz, Öl, Gas, ... erfolgen.

• Nach der Besprechung der mündlichen Noten haben wir uns mit der Speicherung von Energie (Holz, Öl, Gas, Kohle, ...) und der Umformung verschiedener Energieformen (unter anderem am Beispiel des Weckers, der mit Sonnenenergie, Spannenergie, Lageenergie, Bewegungsenergie und elektrischer Energie betrieben wird) beschäftigt.

• Energieentwertung
  Energien können ineinander umgeformt werden.
  Aber nicht jede Umformung kann auch wieder rückgängig gemacht werden.
  Mit elektrischer Energie oder mechanischer Energie kann viel bewirkt werden, aber letzlich werden die Energien immer in Wärme/innere Energie umgewandelt.
• Die Lageenergie ist proportional zur Masse, die angehoben werden soll und zur Höhe, um die die Masse angehoben werden soll.
  Es gilt auf der Erdoberfläche: Um eine Masse von 1 kg (Kilogramm) um 1 m (Meter) anzuheben, benötigt man die Energie 10 J (Joule).
  Also: Sollen 2 kg um 3 m angehoben werden, so benötigt man 10·2·3 J = 60 J.
• Elektrische Energie wird in Kilo-Watt-Stunden (kWh) angegeben.
  1 kW (Kilowatt) sind 1000 W (Watt), 1 h (Stunde) sind 3600 s (Sekunden), 1 Ws ist 1 J.
  Es gilt also: 1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3 600 000 Ws = 3 600 000 J.
  5 kWh sind also 5·3 600 000 J = 18 000 000 J.
• Wir haben einen Energiezähler von innen kennengelernt, der in fast jedem Haushalt vorkommt:
   
  Die genaue Funktionsweise lernt Ihr in der Oberstufe kennen.
  Wie haben aber gesehen, dass man an die blauen Kabel die Spannung anlegen muss und durch die Anschlüsse der Spule am unteren Rand den Strom leiten muss.
  Bei Energieverbrauch rotiert die silberne Scheibe und der Zähler dreht sich langsam weiter.

• Klassenarbeit 1
  

• Am Beispiel eines "Krans" haben wir die Begriffe Energie, Lageenergie und Gewichtskraft besprochen.
  
• Wenn man die Last nach oben zieht, benötigt man Energie. Ein richtiger Kran benötigt dann einen Stromanschluss.
• Dreht sich der Kran, benötigt man (fast) keine Energie. Man muss den Körper ja nicht gegen die Erdanziehungskraft nach oben bewegen. Bei einem richtigen (über Nacht freigestellten) Kran reicht schon ein leichter Wind, um ihn zu drehen.
• Energie wird also nur benötigt, wenn man in Richtung des Weges eine Kraft anwenden muss. Eine einfdache Überlegung zeigt, dass es sinnvoll ist anzunehmen, dass die Energie E proportional zur Kraft F und proportional zur Wegstrecke s ist.
• Man legt also fest: E=F·s.
• Beim Hochheben ist F die Gewichtskraft F_G.
  Die Gewichtskraft F_G ergibt sich aus der Masse m und einem Faktor g, der angibt, wie groß die Anziehungskraft des Himmelskörpers gerade ist.
  Für die Erde gilt etwa g_Erde=10 N/kg, für den Mond etwa g_Mond=1,7 N/kg.
  Es gilt F_G=m·g.
• Hebt man einen Körper hoch, so braucht man dazu die Lage-Energie E_Lage=m·g·h, wobei h (=Höhe) die Länge der Strecke s ist.

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