Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2013/2014 - Physik 9d

Energieübertragung

• Versuch zur Energieerhaltung
  
  Um schwere Lasten auf eine bestimmte Höhe zu bringen, werden häufig schiefe Ebenen (Rampen, Serpentinen u.a.) verwendet.
  Je geringer die Steigung einer solchen schiefen Ebene ist, desto geringer ist die Kraft, die man aufwenden muss und desto weiter ist der Weg, bis der Körper die geforderte Höhe erreicht hat.
  Je steiler die Steigung einer solchen schiefen Ebene ist, desto größer ist die Kraft, die man aufwenden muss und desto kürzer ist der Weg, bis der Körper die geforderte Höhe erreicht hat.
  Gibt es eine bestmögliche Steigung, bei der die Kraft nicht zu groß aber auch der Weg nicht zu weit ist?

• Wir haben dazu Versuche durchgeführt, bei denen ein Rollwagen auf eine immer gleiche Höhe gebracht werden sollte.
  Die Steigung der Fahrbahn wurde bei jedem Versuch geändert.
  Gemessen wurden dann die Kraft, mit der man ziehen musste und der Weg, der zurückgelegt werden musste.
  Messergebnisse einer Messreihe:
  
  Graphische Darstellung der Messwerte:
  

• Die Messgrößen scheinen antiproportional zu sein.
  Um das zu testen, haben wir die Werte miteinander multipliziert. Es ergab sich ein fast konstanter Wert von etwas über 8 Ncm.
  Weitere Auswertung der Messgraphen in der nächsten Stunde.

2013-08-15

• Zuhause habt ihr die Werte für Kraft F und Weg s miteinander multipliziert und die Ergebnisse verglichen.
  Bei den Beispielwerten (siehe oben) ergeben sich 8,00 ; 8,25 ; 8,21 ; 8,50 ; 8,10 ; 8,40 , jeweils in der Einheit N·cm.
  Antiproportional sind die Größen, wenn die Produkte immer gleich sind.
  Ihr habt nun gemeint, dass keine Antiproportionalität vorliegt, weil die Werte (bei der Beispielrechnung, bei euren Werten z. T. noch mehr) um maximal 0,5 auseinanderliegen.
  Da sich aber die Kraftwerte und vor allem auch die Schätzwerte für die Wegstrecke nur sehr ungenau ermitteln ließen, kann man bei den beobachteten Abweichungen trotzdem davon ausgehen, dass die Produkte gleich sind.
• Die Produkte geben die Energie an, die benötigt wird, um den Wagen auf eine bestimmte Höhe zu bringen.
  Wir sehen aus dem Versuch, dass es unerheblich ist, wie der Wagen auf diese Höhe gebracht wird (lange, flache Rampe mit wenig Kraft oder kurze, steile Rampe mit viel Kraft).
  Die für das Anheben notwendige Energie E=F·s ist immer gleich.
• Energie kommt nicht aus dem Nichts (d. h. es kann kein Perpetuum Mobile geben).
  Energie bleibt erhalten. Allerdings kann Energie in andere Energieformen umgewandelt werden.
• Druck im Wasser und in der Luft
• Vorversuch: Welche Dichte hat eigentlich Luft?
  
  Eine Glaskugel wird mit Luft gewogen. Die Waage zeigt an: 178,25 g.
  Die Glaskugel wird mit einer Vakuumpumpe evakuiert. Nun zeigt die Waage 176,90 g an.
  Die entfernte Luft hat also die Masse 178,25 g - 176,90 g = 1,35 g.
  Da es mit schulischen Mitteln nicht möglich ist, ein (fast) vollständiges Vakuum zu erzeugen, wird der Verschlusshahn unter Wasser geöffnet. Dadurch drückt der äußere Luftdruck so lange Wasser in die Glaskugel, bis der Luftdruck innen und außen übereinstimmt. Das Volumen des eingeströmten Wassers ist also so groß wie das Volumen der entfernten Luft. Im Messzylinder wird das Volumen 900,0 cm³ abgelesen.
  Daraus ergibt sich die Dichte der Luft zu .
  1 Liter Luft (1000 cm³) lastet also auf unserer flachen Hand (ca. 100 cm² Fläche, 10 cm Höhe) mit einer Masse von 1,5 g.
  Eine Luftsäule von 1 m Höhe entspricht dann 15 g, eine Luftsäule von 10 m Höhe (Höhe der Pausenhalle) entspricht 150 g.
  Eine 1 km hohe Luftsäule (in Wirklichkeit ist noch viel mehr Luft über uns) bedeutet die Masse 15 kg.
  Warum merken wir nichts von dieser starken Belastung, wenn wir aus der Haustür treten?
• Ausbreitung des Drucks
  
  Versuch: Eine Eine Plastikflasche wird an ihrem abgerundeten Boden mehrfach durchstochen. Presst man nun Wasser aus der Flasche durch starken Druck hinaus, so wird das Wasser in jede Richtung aus der Flasche mit gleicher Intensität austreten.
  Der in der Flasche aufgebaute Druck breitet sich also in alle Richtungen gleich aus.
  Die Luft drückt also nicht nur von oben, sondern aus allen Richtungen auf unseren Körper.
  Dadurch heben sich die wirkenden Kräfte auf und wir merken die Belastung nicht.
• Kommunizierende Röhren
  
  Ein Glasgefäß mit 4 verbundenen Röhren wird teilweise mit Wasser gefüllt.
  In allen Röhren steht das Wasser gleich hoch, da der Luftdruck auf allen Wasserflächen gleich groß ist.
  
  Wird eine Röhre oben mit der Hand luftdicht verschlossen, gleicht sich der Wasserstand nicht an, da durch das höherstehende Wasser aus den 3 rechten Röhren in der linken Röhre ein Überdruck aufgebaut wird.

2013-08-22

• Druck ist ein Maß dafür, wieviel Kraft auf eine bestimmten Fläche wirkt.
  Ist die Kraft groß, ist auch der Druck groß. Bei konstanter Kraft nimmt der Druck ab, wenn sich die Fläche vergrößert und der Druck nimmt zu, wenn sich die Fläche verkleinert.
  Man kann das durch folgende Formel ausdrücken: .
  Einheit des Drucks ist entsprechend N/m² oder Pa (Pascal).
  Da der Wert 1 Pa einen sehr kleinen Druck angibt, benutzt man meistens die Einheit 1 hPa = 100 Pa.
  Der Normal-Luftdruck beträgt 1013 hPa.
• Versuch zum Auftrieb
          
  Verschiedene Massen gleichen Volumens werden außerhalb und innerhalb von Wasser gewogen.
  Da sich das Messgerät nicht exakt auf 0 einstellen lässt, wird vor jeder Messung der offset gemessen.
  Zunächst wird unter Berücksichtigung des offsets die Gewichtskraft außerhalb und innerhalb des Wassers berechnet und dann der Unterschied bei der Gewichtskraft, einzeln für jedes Material:
  
  Die Differenzen betragen im Schnitt 0,023 N. Warum das so ist, werden wir in der nächsten Stunde besprechen.

2013-08-29

• Druck in Flüssigkeiten
   
  Über der Fläche A befindet sich eine Wassersäule der Höhe h.
  Der Druck auf A wird durch die Gewichtskraft F_G des Wassers bewirkt.
  Über das Volumen V und die Dichte ϱ kann man F_G berechnen:
  
  Der Druck p ergibt sich dann zu
   
  
• Auftrieb
   
  Ein im Wasser befindlicher Körper erfährt von allen Seiten Druck.
  Oben ist der Druck aber geringer als unten, weil die Wassersäule über dem Körper oben nicht so hoch ist.
  Wassesäule oben: ho, Wassersäule unten: hu.
  Die seitlichen Drücke heben sich gegenseitig auf.
  Berechnung des Druckunterschieds:
  
  Berechnung der insgesamt nach oben wirkenden Kraft:
   
  Da sich die Dichte auf Wasser bezieht, ist die wirkende Kraft so groß wie die Gewichtskraft von Wasser, das den Raum der Körpers einnimmt.
  Man kann auch sagen: Die Auftriebskraft ist so groß wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Wassers.

• Versuche zum Druck
• Ein Glasrohr kann unten durch eine Platte, die mit einem Band an das untere Ende gezogen wird, verschlossen werden.
  3 Versuche zeigten uns die Auswirkung des Wasserdrucks:
        
• links: Außerhalb des Wassers wird die Platte an das Rohrende gedrückt. Taucht das Rohr dann ins Wasser ein, kann der Faden losgelassen werden und die Platte verschließt weiter das Rohr, in das somit kein Waser gelangen kann.
  Deutung: Das Wasser steht außen höher als das untere Rohrende. Von außen (und damit auch von unten) drückt die Luftsäule und das Wasser gegen die Platte, von oben nur die Luftsäule.
• Mitte: Außerhalb des Rohrs steht das Wasser höher als im Rohr. Auch hier kann der Faden losgelassen werden und die Platte verschließt weiter das Rohr, in das somit nicht mehr Waser gelangen kann.
  Deutung: Das Wasser steht außen höher als das Wasser im Rohr. Von außen (und damit auch von unten) drückt die Luftsäule und viel Wasser gegen die Platte, von oben nur die Luftsäule und wenig Wasser.
• rechts: Steht im Rohr das Wasser höher als außerhalb des Rohres, muss der Faden festgehalten werden. Wird er losgelassen, öffnet sich die untere Platte und das Wasser fließt aus dem Rohr heraus (bis der Wasserstand innen und außen gleich ist).
  Deutung: Das Wasser steht innen höher als das Wasser außerhalb des Rohres. Von innen drückt die Luftsäule und viel Wasser gegen die Platte, von außen (und damit von unten) nur die Luftsäule und wenig Wasser.
• Bestimmung des Luftdrucks
   
  Mit einer Vakuumpumpe wird unter dem Aluminiumzylinder im Glasrohr ein Unterdruck erzeugt.
  Durch den äußeren Luftdruck wird der Zylinder nach unten gezogen, bis der Kraftmesser die gleiche Kraft anzeigt, mit der die Luft auf die Oberfläche des Zylinders drückt.
  Messung: F=21N; d_Zylinder=1,58cm; p=F/A=21N/1,96cm²=10,71N/cm²=107100N/m²=107100Pa=1071hPa.
• Magdeburger Halbkugeln
      
  Die evakuierten Halbkugeln konnten selbst die stärksten Schüler nicht auseinanderziehen.
  Wir haben dann berechnet, dass jeder Schüler etwa die Kraft 1150N hätte aufbringen müssen.
  Das ist so viel wie die Masase eines 115kg schweren Menschen.
  Der Trennungsversuch war also ohne Chance!
• Auftrieb in Luft
      
  Ein Styroporball und ein kleines Gefäß wurden so austariert, dass der Ball etwas zu hoch hing.
  Nachdem um die Waage der Glaskolben evakuiert wurde, sank die Kugel etwas herab.
  Sie erfuhr nun nicht mehr den Auftrieb in der Luft, der sie vorher "leichter" gemacht hat.

• Beispiel zu Luftdruck und Auftrieb:
      
  3 Aromafläschchen werden mit wenig Wasser gefüllt, gerade so viel, dass sie im Wasser schwimmen. Dreht man sie so, dass die Öffnung nach unten zeigt und setzt sie so in eine Plastikflasche, so schwimmen sie an der Wasseroberfläche. Drückt man die geschlossene Flasche leicht mit der Hand zusammen, wird innen ein Überdruck erzeugt. Dadurch wird Wasser in die Röhrchen gepresst, das Luftvolumen wird kleiner und die Röhrchen sinken, da der Auftrieb nicht mehr groß genug ist.
  Die Röhrchen sinken nacheinander (bei unterschiedlichen Drücken), weil die eingefüllte Wassermenge unterschiedlich ist. Rechts ist das rote Röhrchen schon auf dem Grund, während das blaue Röhrchen in der Mitte schwebt und das gelbe Röhrchen noch an der Wasseroberfläche zu finden ist.
• Warum sind die Windrichtungen am Strand am Tag und in der Nacht unterschiedlich?
• Am Tag wird der Sand von der Sonne mehr erhitzt als das Wasser.
  Darum ist es über dem Land wärmer und über dem Wasser kälter.
  Über dem Land steigt deshalb die Luft nach oben und über dem Wasser fällt die Luft herunter.
  Am Boden findet deshalb ein Luftausgleich vom Wasser zum Land hin statt: Der Wind weht vom Meer her.
• In der Nacht kühlt der Sand stärker ab als das Wasser.
  Darum ist es über dem Land kalt und über dem Wasser warm.
  Über dem Wasser steigt deshalb die Luft nach oben und über dem Land fällt die Luft herunter.
  Am Boden findet deshalb ein Luftausgleich vom Land zum Wasser hin statt: Der Wind weht vom Land her.
• Warum wird es kälter, je höher man über dem Erdboden ist? (Stimmt nicht ganz: In der Thermosphäre wird es wieder sehr heiß)
• Am Boden erwärmt die Sonne das Land und damit auch die darüber liegende Luft.
  Betrachten wir ein kleines warmes Luftpaket.
  Da es warm ist, erhält es Auftrieb und bewegt sich in höhere Luftschichten hinein.
  Weiter oben ist die Luft dünner (der Lufdtdruck sinkt) und das Luftpaket dehnt sich dabei aus.
  Beim Ausdehnen wird die vorhandene Energie auf einen größeren Raum verteilt. Es wird also kälter.
• Zusammenhang zwischen Volumen und Luftdruck.
   
  Im abgebildeten Gerät kann das Luftvolumen im Rohr durch zufließendes Wasser verringert werden.
  Der innere Luftdruck wird mit dem oben aufgesetzten Manometer gemessen.
  Auf dem Bild erkennt man: Das Volumen ist auf 1/3 seines ursprünglichen Wertes verringert worden. Dadurch wächst der Druck auf den 3-fachen normalen Luftdruck an.
  Messwerttabelle:
  
  Auswertung mit dem Taschenrechner
  Darstellung der Messergebnisse:
         
  Funktionsgleichung finden mit Regression (Potenzfunktion PwrReg unter STAT>CALC):
       
  Ergebnis: .
  Mit y=V und x=p ergibt sich V=1/p oder p·V=1, d. h. "Druck mal Volumen ist konstant"

2013-10-24

• Zusammenhang zwischen Volumen und Temperatur
     
  Ein Quecksilbertröpfchen schließt ein Volumen in einem Glasrohr ein.
  Erhitzt man das Rohr im Wassserbad, so dehnt sich das eingeschlossene Gas aus und der Quecksilbertropfen wird nach oben verschoben.
  Die Lage der Unterkante des Quecksilbertropfens wird in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen:
   
  Auswertung mit dem Taschenrechner:
       
  Da die Punkte anscheinend auf einer Geraden liegen, wird die Regression für eine lineare Funktion durchgeführt (LinReg(ax+b))
   
  Physikalisch interessant ist, dass diese Gerade nach links verlängert die waagrechte Achse treffen wird.
  Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Temperatur das Volumen 0 sein müsste.
  Bestimmung dieser Temperatur mit dem ZERO-Befehl des Taschenrechners:
          
                
  Es ergibt sich der Wert -261°C.
  Wegen der extremen Extrapolation ist dieser Wert nicht sehr genau. Literaturwert: -273,16°C.
  Diese Temperatur ist die tiefste Temperatur, die es gibt.
  Man nimmt sie deshalb als Nullpunkt einer Temperaturskala (Kelvin K), die nur positive Temperaturwerte besitzt.

2013-10-31

• Der Versuch der letzten Stunde liefert uns neben der Einführung der Kelvin-Skala noch eine Erkenntnis:
  Die Messpunkte liegen alle auf einer Geraden und wenn man die Kelvinskala zu Grunde legt, sogar auf einer Ursprungsgeraden.
  Also sind Kelvin-Temperatur T und Volumen V proportional zueinander: V~T oder V/T=const.
  Diese Beziehung nennt man "Gestz von Gay-Lussac".
• Zusammen mit dem "Gesetz von Boyle-Mariotte" p·V=const. ergibt sich die allgemeine Gasgleichung .
• Beispielaufgabe: Eine leere (bzw. mit Luft gefüllte) Glasflasche mit dem Volumen 1 Liter wird verschlossen um 10m im Wasser abgesenkt und dort mit der Öffnung nach unten geöffnet. Da der Wasserdruck genau so groß ist wie der Luftdruck, wird Wasser in die Flasche gepresst, d. h. das Luft-Volumen wird verringert. Die Flasche wird verschlossen, dann an die Wasseroberfläche gebracht und dort geöffnet. Berechne die Wassermenge in der Flasche, wobei vorausgesetzt wird, dass überall die gleiche Temperatur geherrscht hat.
  Lösung:

2013-11-07

• Zusammenfassung und Ergänzung zum Thema Energie - Leistung
• Energie ist Kraft mal Weg:  E=F·s
• Lageenergie: E=m·g·h
• Leistung/Energiestromstärke: P=E/t oder E=P·t
• eine Umformung ergibt den Zusammenhang zwischen Leistung, Kraft und Geschwindigkeit:
  
• Wiederholung zur Klassenarbeit

2013-11-14

• Besprechung der mündlichen Noten und Wiederholung zur Klassenarbeit

2013-11-21

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]

2013-11-28

• Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]