Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2014/2015 - Physik 9d

Energie

• Lageenergie oder potenzielle Energie
  Hebt man einen Körper hoch, so benötigt man dazu Energie.
  Die Energie E ist proportional zur Masse m des Körpers und zum Ortsfaktor g (also proportional zur Gewichtskraft F_G des Körpers) und zur Höhe h.
  Man definiert die Lageenergie deshalb als E=m∙g∙h
• 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.
• Auswertung der Messwerte in der nächsten Stunde.

2014-09-30

• Die Ergebnisse der Versuche aus der letzten Stunde zeigen, dass bei gleicher zu erreichender Höhe die Kraft umso größer ist, je kleiner der notwendige Weg ist (also je steiler die Rampe ist).
  Der Vorschlag von euch, es könnte eine Antiproportionalität zwischen Weglänge s und Kraft F vorliegen, haben wir mit Hilfe des Taschenrechners untersucht.
  Dazu haben wir das Produkt aus Kraft F und Weglänge s gebildet, denn eine Produktgleichheit zweier Messwerte zeigt eine Antipropotionalität an.
  Hier die Ergebnisse von 4 Gruppen: In Liste L1 stehen die Kräfte in N, in Liste L2 die Weglängen s in cm und in Liste L3=L1*L2 das Produkt der beiden Werte:
         
  Die Produkte sind etwa immer gleich.
  Die unterschiedlichen Werte der Produkte ergeben sich daraus, dass ihr unterschiedliche Höhen gewählt habt.
• Da noch Fragen zum Versuch blieben, haben wir in einem genaueren Versuch noch einmal gemeinsam den Versuch und die Auswertung durchgesprochen:
   
  Das Produkt Kraft mal Weg beträgt im linken Bild 0,6N∙0,50m=0,30Nm=0,3J und im rechten Bild 1,2N∙0,25m=0,30Nm=0,3J.
  In beiden Fällen ist das Produkt gleich groß.

2014-10-07

• Wir haben die Formeln für die Lageenergie und die mechanische Leistung wiederholt und Aufgaben dazu gerechnet.
  Verwendete Größen:
   
  Formeln:
   

2014-10-21

• Aufgaben zu den Formeln zur Lageenergie und zur Leistung.
• Besprechung des Leistungsstandes.

2014-11-11

• Mit dem Strahlungsmessgerät haben wir gesehen:
  Wärmeenergie kann durch Strahlung (Infrarot-Licht IR) übertragen werden.
  Eine im sichtbaren Licht völlig durchsichtige Glasplatte absorbiert die Infrarotstrahlung fast vollständig.
• Strahlungswürfel nach Leslie
  Ein Metallwürfel aus Messing wird mit heißem Wasser gefüllt.
  Die 4 Seitenflächen sind unterschiedlich beschichtet:schwarz-matt, weiß-matt, messing-glänzend, silbern-glänzend
  
  Es wird in Abhängigkeit von der Oberfläche die Wärmestrahlung der Platten gemessen mit einer Thermosäule nach Moll.
• Messwerte:
  schwarz-matt: 15,0; weiß-matt: 6,3; messing-glänzend: 3,3; silbern-glänzend: 0,62
  Ergebnis:
  1. Je dunkler ein Körper ist, desto besser strahlt er Wärme ab.
  2. Je glatter die Oberfläche ist, desto weniger strahlt er Wärme ab.
  Je besser ein Körper Wärme abstrahlt, desto besser nimmt er auch Wärme auf.
• Anwendung:
  Milchlaster haben silbrig-farbene Tanks, damit durch die schlechte Aufnahme von Wärmestrahlung die Milch kühl bleibt.
  Diese Tanks haben aber eine matte Oberfläche. Theoretisch wäre eine glatte Oberfläche besser.
  Dagegen spricht aber, dass durch eine spiegelnde Oberfläche andere Verkehrsteilnehmer durch reflektierte Lichter (vor allem Sonnenlicht) geblendet würden.

2014-11-18

• Thermoelemente
  Versuch: Wird die Kontaktstelle von 2 verschiedenen elektrischen Leitern erwärmt, so entsteht an den Enden der Leiter eine Spannung.
  
  Je wärmer es wird, desto größer wird die Spannung,
  je kälter es wird, desto mehr geht die Spannung zurück.
  Deutung: Elektronen treten aus einem Metall je nach Material unterschiedlich gut in ein benachbartes Material über.
  Dadurch wird eines der Materialien negativ und das andere positiv aufgeladen.
  Werden die Materialien erwärmt, bewegen sich die Elektronen schneller und die gegenseitige Aufladung vergrößert sich.
  Man misst also eine höhere Spannung.
  Thermoelemente eignen sich gut zur genauen Messung von Temperaturen.
• Wiederholung zur Arbeit.

2014-11-25

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]

2014-12-02

• Umwandlung von Lageenergie in Wärmeenergie
  
  Als Einführung in die Funktionsweise des Messgerätes haben wir vor der Klassenarbeit Thermoelemente kennen gelernt.
• Die Lageenergie des gelben Kanisters (plus Wasser) wird durch Reibung in innere Energie (Wärme) unterschiedlicher Metallstücke umgewandelt.
• Es werden zwei Kupferringe von 300g und 150g und zwei Aluminiumringe von 75g und 50g verwendet.
  Die Fallhöhe des Kanisters beträgt 1m bis auf einen Versuch mit 0,5m.
  Die angezeigt Spannungsdifferenz kann mit folgender Beziehung in eine Temperaturdifferenz umgerechnet werden: 53μV↔1K.
• Messergebnisse:
   
  
• Auswertung:
• Masse und Temperatur bei Kupfer
  Da die Temperatur proportional zur Spannung ist, werden die Werte für Masse und Spannung verglichen.
  Multipliziert man die Messwerte, so ergibt sich (fast) derselbe Wert:
  300·38=11400     150·79=11850
  Masse m und Temperaturerhöhung Δϑ sind also antiproportional: m~1/Δϑ
• Masse und Temperatur bei Aluminium
  Es ergibt sich dieselbe Abhängigkeit wie beim Kupfer:
  75·72=5400     50·97=4850
  Der Faktor ist aber nur etwa halb so groß.
• Abhängigkeit zwischen Energie und Temperaturerhöhung
  Die Höhe ist ein Maß für die Energie wegen E=m·g·h (E~h).
  Bei Kupfer-150g-1m ist die Energie doppelt so groß und auch dieTemperaturerhöhung doppelt so groß wie bei Kupfer-150g-0,5m.
  Energie E und Temperaturerhöhung Δϑ sind also proportional: E~Δϑ.
• Zusammengefasst gilt: E~m·Δϑ bzw.
  
  Der Proportionalitätsfaktor c ist abhängig vom benutzten Material.

2014-12-09

• Berechnungen (Gleichsetzen von Energien, Mischungsrechnung) mit der Formel für die innere Energie aus der letzten Stunde.

2014-12-16

• Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
• Physik im Advent

2015-01-06

• Modell zum Aufbau der uns umgebenden Materie
• feste Körper:
  Die Atome sitzen an fest eingebunden in einer Atomanordnung.
  Sie schwingen um diese Ruhelage herum.
  Bewegung der Atome erkennen wir als Wärme.
  Je schneller die Atome schwingen, desto wärmer ist der Körper.
• Flüssigkeiten:
  Die Atome sitzen sehr dicht, können sich aber gegeneinander bewegen.
• Gase:
  Die Atome sind nicht aneineinander gebunden, fliegen frei herum und verhalten sich beim Zusammenstoß ähnlich wie Flummi-Bälle.
• Feuchte Gegenstände (nasses Papier, verschwitze Arme, beregnete Straße usw.) kühlen ab, weil Wasserdampf (Gas) in die Luft entweicht.
  Dabei gelangen hauptsächlich die Atome und Moleküle mit der größten Energie (Geschwindigkeit) nach außen.
  Zurück bleiben die langsameren Atome und Moleküle und damit kühlt der Gegenstand ab.
• Umgekehrter Effekt: Bei Frost werden Obstbäume mit Wasser besprüht, das an den Blüten gefriert.
  Beim Festfrieren verlieren die Wasserteilchen ihre Bewegungsenergie, die als innere Energie in die Blüte geht und diese so vor dem Frost schützt.
• Ausbreitung des Drucks
  
  Versuch: 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.

2015-01-13

• Beim Zusammendrücken einer Gasspritze ist der entstehende Druck proportional zur aufgewendeten Energie und umgekehrt proportional zur Volumenänderung:
  Druck gleich Energieänderung pro Volumenänderung: .
  Ersetzt man die Energie durch Kraft mal Weg und das Volumen durch Grundfläche mal Weg, so ergibt sich .
  Einheit des Drucks ist entsprechend N/m² oder Pa (Pascal).
  Eine alte Einheit für den Druck ist bar. Um die Umrechnung von bar in Pa zu verstehen, haben wir begonnen, uns über die Masse bzw. die Dichte der Luft zu unterhalten.
  Bestimmung der Dichte:
  
  Eine Glaskugel wird evakuiert (d. h. die Luft wird entfernt). Gemessen wurde vor und nach diesem Prozess die Kugel.
  Messwerte: Glaskugel mit Luft: 178,00g; Glaskugel ohne Luft: 176,91g; Unterschied: 1,09g.
  Da möglicherweise nicht die ganze Luft aus der Glaskugel entfernt wurde, wurde nach der Messung eine Öffnung der Kugel unter Wasser gehalten und dann der Verschluss geöffnet.
  Dabei strömte so viel Wasser in die Kugel, wie vorher an Luft entfernt wurde. Nur eine kleine Luftblase blieb jetzt ohne Wasser.
  Das Volumen des Wasser wurde mit einem Glaskolben ausgemessen: 903cm³.
  Berechnung der Dichte und der Druck einer 10km-Luftsäule als Hausaufgabe. (Lösung: p=100000Pa=1000hPa)

2015-01-21

• 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: h_o, Wassersäule unten: h_u.
  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.
  Im Versuch haben wir eine Luftdruck von etwa 1000hPa ermittelt.

2015-01-27

• 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 Masse 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.