A. ENERGIE = GESPEICHERTE ARBEIT

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1 1. Steine, die arbeiten! Die Frage, ob Steine Arbeit verrichten können, ist wohl merkwürdig. Betrachten wir aber das untenstehende Bild, bekommt diese Frage doch einen Sinn. Steine können - wenn auch unerwünschte - Arbeit verrichten. Worin unterscheiden sich die hier abgebildeten Steine? Welche Steine könnten für das Haus gefährlich werden? Weshalb? Notiere deine Überlegungen. Körper, die hinunterstürzen, verrichten Arbeit. Die erhöhte Lage befähigt sie dazu. Diese Fähigkeit, Arbeit verrichten zu können, nennen wir Energie. Energie ist demnach gespeicherte Arbeit. Energie = gespeicherte Arbeit Ist der Stein (Körper) hinuntergestürzt, besitzt er keine gespeicherte Arbeit (Energie) mehr. Wie könntest du einem Körper wieder Energie zurückgeben (speichern)? Energie von Körpern, welche auf ihre Lage (Höhe) zurückzuführen ist, heisst Lage-Energie Lageenergie wird auch Potentielle Energie genannt. Energie = gespeicherte Arbeit 1

2 2. Bewegte Körper haben Energie Autos, die zusammenstossen, benutzen ihre Bewegung, um Bleche zu verformen. Ein bewegter Stein kann eine Fensterscheibe zertrümmern. Ein bewegter Hammer schlägt einen Nagel ein. Eine bewegte Axt spaltet Holz. Bewegte (beschleunigte) Gegenstände verrichten Arbeit. Sie besitzen jetzt Bewegungs-Energie Die Bewegungsenergie wird auch als Kinetische Energie bezeichnet. Nenne einige Beispiele, wo Bewegungsenergie mit im Spiel ist. Betrachte untenstehendes Bild. Welche dir bereits bekannten Energieformen treten hier in den einzelnen Phasen (Anlauf, Aufstieg, Kulminationspunkt und Fall) auf? Energie = gespeicherte Arbeit 2

3 3. Jetzt wird s spannend Ein gespannter Bogen kann einen Pfeil beschleunigen. Zusammengedrückte Luft kann in einem Luftgewehr eine Kugel beschleunigen. Des Lausbuben gespannte Steinschleuder beschleunigt einen Stein. Die gespannte Uhrfeder einer mechanischen Uhr treibt das Uhrwerk an. Eine gespannte Feder (oder zusammengepresste Luft) hebt beim Öffnen des Kofferraums automatisch den Deckel. Eine gespannte Feder lässt beim Kugelschreiber per Knopfdruck die Mine verschwinden. Einige Körper lassen sich verformen, möchten aber nach der Verformung wieder ihre ursprüngliche Form einnehmen. Solche Körper sind elastische Körper. Die Arbeit, welche verrichtet wird, um den elastischen Körper zu verformen, ist nun gespeichert. Der elastische Körper besitzt jetzt Energie. Bei der Rückkehr zur ursprünglichen Form wird die gespeicherte Arbeit (Energie) wieder freigesetzt. Energie, welche in elastischen Körpern auftritt, heisst: Elastische Energie Betrachte das untenstehende Bild. Welche Arbeit wird in den einzelnen Phasen verrichtet? Welche dir bekannten Energieformen treten auf? Energie = gespeicherte Arbeit 3

4 4. Heisse Szenen Ein entfachtes Streichholz erzeugt ganz schön viel Wärme. Holzstücke im Lagerfeuer spenden wohlige Wärme. Das Patronenpulver beschleunigt eine Gewehrkugel innert Sekundenbruchteilen auf horrende Geschwindigkeit. Eine grosse Kerze kann für Stunden Licht und Wärme spenden. Treibstoffe bringen gewaltige Massen (Flugzeuge, Fahrzeuge, Maschinen...) in Bewegung. Batterien treiben Motoren an. Wo liegt denn hier die verborgene Energie (gespeicherte Arbeit)? In einigen Stoffen muss folglich in irgend einer Form gespeicherte Arbeit vorliegen. Diese Energie kann durch chemische Vorgänge freigesetzt werden. Energie aus Stoffen, denen durch chemische Vorgänge die gespeicherte Arbeit entlockt werden kann, nennen wir: Energieträger (Energiestoff) Schwarzpulver Benzin Chemische Energie Die folgende Zusammenstellung zeigt einige chemische Energieträger auf. Schlage in einem Lexikon die Begriffe nach und gib eine Kurzerklärung dazu ab. Überlege dir auch, in welcher Form die freigesetzte Energie bemerkbar wird. Kurzerklärung Schiesspulver, Pulver für Gewehrpatronen und Sprengkörper Form der Energieentfaltung Bewegung, Wärme, Licht Dynamit Diesel Akkumulator Holz Energie = gespeicherte Arbeit 4

5 5. Sonnenenergie (Solarenergie) Du hast die vier klassischen Energieformen kennengelernt: Lageenergie, Bewegungsenergie, Elastische Energie und Chemische Energie. Die für Mensch und Umwelt wichtigste Energie ist die Sonnenenergie (Solarenergie) Stelle zu dieser Energie ein Arbeitsblatt zusammen. Benutze dazu entsprechende Arbeitsunterlagen (Nachschlagewerke, Lehrbücher, etc.). 6. Kernenergie (Atomenergie) Du hast die vier klassischen Energieformen kennengelernt: Lageenergie, Bewegungsenergie, Elastische Energie und Chemische Energie. Die Energie, welche für die Stromerzeugung zunehmende Bedeutung gewinnt, ist die Kernenergie (Atomenergie) Stelle zu dieser Energie ein Arbeitsblatt zusammen. Benutze dazu entsprechende Arbeitsunterlagen (Nachschlagewerke, Lehrbücher, etc.). 7. Elektrische Energie Du hast die vier klassischen Energieformen kennengelernt: Lageenergie, Bewegungsenergie, Elastische Energie und Chemische Energie. Die aus unserem Leben nicht mehr wegzudenkende Energie ist die Elektrische Energie Stelle zu dieser Energie ein Arbeitsblatt zusammen. Benutze dazu entsprechende Arbeitsunterlagen (Nachschlagewerke, Lehrbücher, etc.). Energie = gespeicherte Arbeit 5

6 8. Energieumwandlung Heute wird oft über verlorene Energien diskutiert. Kann denn Energie überhaupt verloren gehen? Nein! Energie, welche zum Arbeiten benutzt wird, ist im physikalischen Sinne nicht verbraucht, sondern umgewandelt worden. Richtigerweise müssten wir nicht von Energieverbrauch, sondern von Energieumwandlung sprechen. Dazu erklärende Beispiele: Ein Bogen, der gespannt wird, erhält durch deine Muskelarbeit Spannenergie. Diese Spannenergie geht beim Pfeilabschuss nicht einfach verloren. Aus der Spannenergie wird Bewegungsenergie. Mit dieser Bewegungsenergie wird höchstwahrscheinlich das Ziel verformt (Verformungsarbeit). Der in einem Motorfahrzeug "verbrauchte" Treibstoff wird in Bewegungsenergie und in Wärmeenergie umgesetzt. Die in einer Glühlampe "verbrauchte" Elektrische Energie wird zu Lichtenergie und zu Wärmeenergie. Frage: Suche weitere Beispiele für Energieumwandlungen Welche Energieumwandlungen finden statt, wenn Fritz seinem Hobby "Kastensprung" nachgeht? Beschreibe! Energie = gespeicherte Arbeit 6

7 9. Rechnen mit Energien Da Energie gespeicherter Arbeit gleichkommt, werden für die Energie auch dieselben Masseinheiten wie für die Arbeit verwendet. Erinnerst du dich noch? Arbeit wird in die zwei Komponenten Kraft (Masseinheit Newton) und Weg (Masseinheit Meter) eingeteilt. Daraus ergibt sich auch für die Energie die Masseinheit Newtonmeter (Nm) oder Joule (J). Die Masseinheiten für gespeicherte Arbeit (Energie) sind Beispiele: Newtonmeter und Joule 1 Nm = 1 J Wenn wir eine Tafel Schokolade von 100 Gramm (1 N) auf 1 Meter Höhe anheben, so verrichten wir eine Arbeit (Kraft x Weg) von 1 N x 1 m = 1 Nm. Dabei hat die Schokolade jetzt eine Lageenergie von einem Newtonmeter (1 Nm). Wenn Hugo mit seinen 52 kg Körpergewicht auf einen 4 m hohen Baum klettert, so hat er eine Arbeit von 2080 Nm verrichtet. Hugo hat nun eine Lageenergie von 2080 Nm. Aufgaben: 1. Welche Lageenergie haben 15 Getreidesäcke (Gewicht eines Sackes 50 kg), welche im fünften Stock (15 m über dem Erdboden) eines Lagerhauses liegen? 2. In einem Stausee, der 1300 m über dem Turbinenhaus liegt, sind m 3 Wasser gelagert. Wie gross ist der Energievorrat? 3. Ein Wasserkraftwerk wandelt die Lageenergie des Wassers in elektrische Energie um. Woher erhielt dieses Wasser seine Lageenergie? 4. Ein Rabe möchte eine Nuss knacken. Zu diesem Zwecke fliegt er mit der Nuss auf eine Höhe von 35 m und lässt die Nuss (0,2 N) auf eine Strasse fallen. Welche Energieformen hat die Nuss? Wie gross sind die Energien? Energie = gespeicherte Arbeit 7

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