Mechanik I. Arbeitsblätter. (Lehrerversion) GIDA 2010

Transkript

1 Arbeitsblätter (Lehrerversion)

2 Sek. I Arbeitsblatt 1 Kräfte: Vervollständige den Lückentext! Überall in der Welt begegnen uns Kräfte. Man kann sie nicht direkt sehen, man erkennt sie nur an ihrer Wirkung. Kräfte können Objekte dauerhaft (d.h. plastisch ) verformen. Ein Beispiel dafür ist der Knetgummi. Wird ein Bogen gespannt, so verformt eine Kraft ihn temporär (kurzzeitig). Man spricht von einer elastischen Verformung. Ein Körper kann seine Geschwindigkeit ändern, wenn Kräfte von außen auf ihn wirken. Er wird seine Bewegungsrichtung solange beibehalten, bis eine Kraft ihn dazu zwingt, die Richtung zu ändern. Eine Kraft kann man z.b. an dem Grad der Dehnung einer Feder messen. Dabei gilt nach dem Hookeschen Gesetz, dass die Dehnung proportional zur wirkenden Kraft ist. Das Formelzeichen ist das große F (von dem englischen Wort force ) und die Maßeinheit ist ein Newton (N) nach dem berühmten englischen Physiker gleichen Namens. Kräfte erkennt man an ihrer Wirkung. Sie können Körper verformen oder den Bewegungszustand der Körper ändern. Formelzeichen, Richtung, Bogen, Kräfte, Newton, Wirkung (2x), Maßeinheit, Knetgummi, Feder, Bewegungszustand, elastischen, force, Hookeschen Gesetz, Bewegungsrichtung, Dehnung, plastisch, verformen, Dehnung proportional, Geschwindigkeit

3 Sek. I Arbeitsblatt 2 Das Hookesche Gesetz: 1. Gib zu jedem Federkraftmesser die an ihm wirkende Kraft in N an! 2. Gib zu jedem Körper die Masse in kg an! 1 N 1 N 2,5 N 3,5 N 1,5 N 2 N 0,1 kg 0,1 kg 0,15 kg 0,2 kg 0,25 kg 0,35 kg TIPP: Um von der Gewichtskraft auf die Masse eines Körpers zu kommen, teilt man die gemessene Kraft durch den Faktor 9,81 N/kg und erhält die Masse in kg. Für Überschlagsrechnungen reicht es, wenn man einfach durch den Faktor 10 N/kg teilt.

4 Sek. I Arbeitsblatt 3 Vektoren: 1. Eine Kraft wird in der Physik durch einen Vektor repräsentiert. Beschreibe, was die einzelnen Komponenten des Vektors bedeuten! Angriffspunkt der Kraft Betrag der Kraft Richtung der Kraft 2. Sammle in den Kästen unten die Buchstaben der identischen Vektoren der Angriffspunkt wird nicht berücksichtigt! A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A H M X B I O U Z C G N T D K P W E J Q V F L R S Y

5 Sek. I Arbeitsblatt 4 Vektoraddition: 1. Zeichne an die Spitze des einen Vektors die Basis des anderen und vervollständige das Ganze (wenn möglich) zu einem Parallelogramm! Zeichne die resultierende Kraft als roten Vektor ein, wie groß ist sie? 1 cm 1 N 7 N 2 N 1 N 6 N 3 N 6 N Hinweis: Die Inhalte dieses Arbeitsblattes gehen über das im Film gezeigte hinaus.

6 Sek. I Arbeitsblatt 5 Die Goldene Regel der Mechanik: 1. Ergänze die Goldene Regel der Mechanik! Je kürzer der Weg ist, desto größer ist die Kraft, die man aufwenden muss. Je länger der Weg ist, desto geringer ist die Kraft, die man aufwenden muss. Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen. Die physikalische Arbeit W = F s (Kraft mal Weg) bleibt dabei gleich. Es gilt W gesamt = F 1 s 1 = F 2 s 2

7 Sek. I Arbeitsblatt 6 Flaschenzug: Mit den folgenden Flaschenzügen soll ein Massestück mit einer Masse von m = 6 kg (Gewichtskraft ca. F = 60 N) um 10 cm hochgehoben werden. 1. Bestimme zu jedem Flaschenzug die Seillänge, die man ziehen muss, um das Massestück 10 cm hochzuheben, und die Kraft, die man dazu benötigt! 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 60 N 30 N 20 N 15 N 10 cm 10 cm 10 cm 10 cm TIPP: Es gilt F 1 s 1 = F 2 s 2 ( in unserem Fall 60 N 0,1 m = F 2 s 2 )

8 Sek. I Arbeitsblatt 7 Potenzflaschenzug: Mit dem folgenden Flaschenzug soll ein Massestück mit einer Masse von m = 1kg (Gewichtskraft ca. F = 10 N) um 10 cm hochgehoben werden. 1. Bestimme der Reihenfolge nach, wie hoch die jeweils nächste Rolle gehoben und wie lang am Ende das Seil gezogen werden muss, um das Massestück 10 cm hochzuheben! R 4 Um die Rolle R 1 und damit das Massestück um 10 cm anzuheben muss die Rolle R 2 um 20 cm angehoben werden. Um die Rolle R 2 um 20 cm anzuheben muss die Rolle R 3 um 40 cm angehoben werden. R 3 Das heißt, man muss an dem Seil 80 cm ziehen, um das Massestück um 10 cm anzuheben. Da F 1 s 1 = F 2 s 2 gilt, folgt 10 N 10 cm = 1,25 N 80 cm. Bei einer Gewichtskraft von 10 N bedeutet das, dass wir mit einer Kraft von 1,25 N an dem R 2 Seil ziehen müssen. R 1 Hinweis: Die Inhalte dieses Arbeitsblattes gehen über das im Film gezeigte hinaus.

9 Sek. I Arbeitsblatt 8 Einseitige und zweiseitige Hebel: 1. Schreib zu den einseitigen Hebeln eine 1 und zu den zweiseitigen Hebeln eine 2! Kneifzange 2 Schubkarre Maulschlüssel Wippe Brecheisen Flaschenöffner Balkenwaage Schere Türklinke Zeichne zu den folgenden beiden Hebeln den kurzen und den langen Hebelarm und die Drehachse in drei unterschiedlichen Farben ein! kurzer Hebelarm langer Hebelarm Drehachse

10 Sek. I Arbeitsblatt 9 Newtonsche Axiome Trägheitsprinzip: 1. Vervollständige den Merksatz zum Trägheitsprinzip! Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der geradlinig gleichförmigen Bewegung, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt. 2. Beschreibe kurz, wo und wie das Trägheitsprinzip in den folgenden Beispielen eine Rolle spielt! Kurvenfahrt im Auto: Man wird in der Kurve nach außen gedrückt. Skateboard mit Fahrer das Board bleibt an einem Bordstein hängen: Der Skater bewegt sich weiter geradeaus und fällt vom Skateboard. Sicherheitsgurt im Auto: Bei einem Unfall bewegt man sich der Trägheit folgend weiter und wird vom Sicherheitsgurt aufgefangen. Beschleunigung beim Starten eines Flugzeugs: Beim Starten wird der Passagier aufgrund der Trägheit in den Sitz gedrückt. Notbremsung beim Fahrradfahren: Das Fahrrad rutscht weiter, oder der Fahrradfahrer fliegt über den Lenker.

11 Sek. I Arbeitsblatt 10 Newtonsche Axiome Aktionsprinzip: Mit welcher Kraft ein Körper von der Erde angezogen wird, kann man mit der Formel F = m a ausrechnen. Dabei ist a in diesem Zusammenhang die Erdbeschleunigung (häufig auch als g bezeichnet). Diese ist vom Standort abhängig und beträgt auf der Erde g 9,81 m/s² = 9,81 N/kg. 1. Berechne die Gewichtskraft, die eine Tafel Schokolade bzw. ein Mensch auf der Oberfläche der folgenden Himmelskörper erfahren würde! 2. Berechne die fehlenden Verhältnisse F Planet / F Erde! Was sagt der Quotient F Mond / F Erde = 0,165 beim Mond aus? Der Mond hat nur 16,5% der Schwerkraft der Erde. Auf der Erde ist die Schwerkraft ca. sechs mal so groß wie auf dem Mond. Erde g = 9,81 N/kg Mond g = 1,623 N/kg Merkur g = 3,704 N/kg Venus g = 8,87 N/kg Mars g = 3,731 N/kg Jupiter g = 24,8 N/kg Saturn g = 11,81 N/kg Schokolade m = 0,1 kg F = m g F = 0,981 N 0,1623 N 0,3704 N 0,887 N 0,3731 N 2,48 N 1,181 N Mensch m = 60 kg 588,6 N 97,38 N 222,24 N 532,2 N 223,86 N 1488 N 708,6 N F Planet / F Erde 1 0,165 0,378 0,904 0,380 2,528 1,204

12 Sek. I Arbeitsblatt 11 Rätsel zu einfachen Maschinen: Setze die gesuchten Begriffe ein! Waagerecht: 2 Welches Gesetz wird bei der Wippe angewandt? 6 Actio = 7 Eine größere Anziehungskraft als die Erde hat 9 Eine kleinere Anziehungskraft als die Erde hat 10 Eine Rolle, mit der man Kraft umlenken kann, ist 11 Eine Rolle, mit der man Kraft "sparen" kann, ist Senkrecht: 1 Die Zange ist ein Hebel. 3 Die Türklinke ist ein Hebel. 4 Einfacher Hebel (bei Einbrechern sehr beliebt) 5 Das erste Newtonsche Gesetz: sgesetz 7 Zweiseitiger Hebel 8 Einheit der Kraft 2 H 1 4 Z B W R 3 5 E B E L G E S E T Z I I C R N S H A R E I I G I T S H M I G N I G E 7 8 S A T U R N E R C E R H W 10 F E S T T L E N 6 S E E E A C T I O 9 T I E E R K U R 11 R O S E

13 Sek. I Arbeitsblatt 12 Arbeit, Energie und Leistung: Die drei Handwerker wollen alle ihre Werkzeugkiste (m = 6 kg) an einem Seil auf das Gerüst ziehen. 1. Gib die Kraft an, mit der die Handwerker ziehen müssen! 2. Welche Arbeit verrichten sie dabei? 3. Wie groß ist die potenzielle Energie, wenn die Werkzeugkiste sich auf Höhe des Laufstegs der Arbeiter befindet? 4. Berechne die Leistung, die sie erbringen, wenn die ersten beiden 1 Minute und der dritte 2 Minuten braucht! 5. Diskutiere die Vor- und Nachteile des jeweiligen Verfahrens und notiere sie auf einem separaten Blatt! 5 m 6 kg Formel Handwerker 1 Handwerker 2 Handwerker 3 Kraft F F = m a 60 N 60 N 20 N Arbeit W W = F s 300 Nm 300 Nm 300 Nm Energie E pot E pot = W 300 J 300 J 300 J Leistung P P = W / t 5 W 5 W 2,5 W