8. Jahrgangsstufe Energie und Energieerhaltung Unterrichtskonzept. Energie und deren Erhaltung

Transkript

1 Energie und deren Erhaltung Einführung des Energiebegriffs und mechanische Energieformen Einführungsbeispiel: Der Trambolinspringer Die folgende Bilderserie ist im Urlaub in den Sommerferien entstanden. Es zeigt einen Jungen beim Trambolinsprngen. Diese Bilderreihe zeigt sehr gut das Funktionsprinzip des Trambolins: Das Trambolin ist elastisch. Springt auf man das Trambolin, dann wird der elastische Bezug zunächst gedehnt. Ist das Tuch maximal gedehnt, dann zieht sich der Trambolinbezug wieder straff und dadurch wird der Junge nach oben beschleunigt, wodurch er eine Geschwindigkeit in die vertikale Richtung. Damit gewinnt der Bub an Höhe, wodurch seine Geschwindigkeit abnimmt. Am höchsten Punkt seines Sprungs ist die Geschwindigkeit dann Null und er wird durch Gewichtskraft in die Gegenrichtung beschleunigt. Er gewinnt nun wieder an Geschwindigkeit, dafür aber verliert er an Höhe und trifft schließlich wieder auf dem Trambolin auf. Jetzt wiederholen sich die Vorgänge. Zusammengefasst kann man sagen: Die Elastizität des Trambolins wird in Geschwindigkeit des Trambolinspringers umgesetzt und dadurch gewinnt der Springer solange an Höhe, bis die Geschwindigkeit den Wert 0 hat. Anschließend wird die Höhe dazu verwendet, dass der Springer wieder an Geschwindigkeit zulegt. Weil man aber die Größen Höhe, Geschwindigkeit und Elastizität nicht miteinander vergleichen kann, führt man in der Physik eine neue Größe ein, mit deren Hilfe man einen Zusammenhang zwischen diesen Größen herstellen kann. Diese Größe heißt Energie. Für jede der im Beispiel genannten Größen ist eine bestimmte Energieform festgelegt: Größe Beschreibung Energieform Elastizität Geschwindigkeit Der Bezug des Trambolins wird gedehnt bzw. gespannt Der Köper nimmt Bewegung auf. Spannenergie Bewegungsenergie oder kinetische Energie Höhe Der Körper steigt oder fällt Höhenenergie Als Ergebnis kann man festhalten: Energie ist ein abstrakter Begriff der Physik, damit man zwischen verschiedenartigen Größen einen Zusammenhang herstellen kann. In der Natur und in der Technik kommt die Energie in verschiedenen Formen vor. Die mechanischen Energien sind Die Bewegungsenergie, mit Fachnamen als kinetische Energie bezeichnet.

2 Die Höhenenergie Die Spannenergie Die Höhen und die Spannenergie bilden die Klasse der potentielle Energie. Weitere Energieformen Einführungsbeispiel: Modellhaus mit regenerativen Energieträgern Das folgende Modellhaus zeigt ein Haus, bei welchem die regenerativen Energieträger zur Versorgung des Haushaltes herangezogen werden können: Mit diesem Modell führt man nun die folgenden Versuche durch: Versuch 1 Wir schließen an die Aussenklemmen eine elektrische Glühbirne an und beleuchten dann die Solarzellen auf dem Dach des Hauses mit einer Lampe, die im Versuch die Sonne symbolisiert. Man beobachtet, dass die angschlossene Glühbirne dabei zu leuchten beginnt. Versuch 2 Wir beleuchten das Solarfeld mit Licht und stellen mit der Akkustation einen Stromkreis her. Daraufin kann man zwischen den Klemmen der Ladestation einen Strom messen, mit dessen Hilfe man die Aukkus laden kann. Versuch 3 Wir füllen in den Solartank am Dach Wasser und beleuchten dann diesen wieder mit der Lampe. Misst man die Wassertemperatur, dann erkennt man, dass die Temperatur mit der Dauer der Bestrahlung ansteigt. Versuch 4 Wir schließen die Solaranlage ab und schließen dafür den Windgenerator an. Mit der Glühbirne bauen wir einen geschlossenen Stromkreis auf. Mit einem Fön setzt man den Windgenerator an. Daraufhin kann man das Aufleuchten der Glühbirne beobachten. Als Ergebnis der Versuche ist festzuhalten: Bei Versuch 1 wird Licht in Elektrizität verwandelt. Bei Versuch 2 wird Licht in Batteriekapazität umgesetzt. Bei Versuch 3 wird Licht in Temperatur umgewandelt. Bei Versuch 4 wird Wind in Elektrizität verwandelt. Da auch diese Größen nicht miteinander direkt verglichen werden können, nutzt man wieder den Energiebegriff aus, um einen Zusammenhang zwischen den beobachteten Größen herzustellen: Bei Versuch 1 wird die Lichtenergie in elektrische Energie umgesetzt. Bei Versuch 2 wird die Lichtenergie in chemische Energie verwandelt. Bei Versuch 3 wird die Lichtenergie in thermische Energie umgesetzt. Bei Versuch 4 wird die Bewegungsenergie des Windrads in elektrische Energie umgewandelt. Zusammenfassung: Die thermische Energie und die chemische Energie werden als innere Energie bezeichnet. Weitere Energiearten sind die Lichtenergie und die elektrische Energie.

3 Das Prinzip der Energieerhaltung Bisher hat man erkannt, dass die Energie in verschiedenen Formen auftritt und dass sich eine Energieform in eine andere Energieform umwandeln kann. Es stellt sich allerdings die Frage, welcher Anteil dabei umgewandelt wird und ob es dabei zu Verlusten kommen kann. Diesen Fragen hilft das nächste Experiment auf den Grund zu gehen: Versuch Wir bauen ein Fadenpendel an einer Stativstange auf. In einem Abstand von 20 cm wird links und rechts von der Stativstange jeweils ein Maßstab aufgebaut. Direkt an der Stange wird ein Lichtschrankenpaar aufgestellt, wobei die Lichtschranken einen Abstand von 5,00 cm haben. Messungen: Man misst die Höhe, um welche man das Pendel auslenkt. Ferner wird die Durchgangsgeschwindigkeit durch die Lichtschranken ermittelt. Zum dritten wird die Höhe des Pendels gemessen, die es bei einer Schwingung wieder erreicht. Die Ergebnisse werden in der folgenden Messtabelle festgehalten: h. in m v. in m/s h. in m Ergebnis Die Höhe, die das Pendel nach der Auslenkung erreicht, ist gleichgroß wie die Höhe, aus der das Pendel ausgelenkt wurde. Die Durchgangsgeschwindigkeit durch den niedrigsten Punkt des Pendels ist in beiden Fällen ebenfalls gleich groß. Lässt man das Pendel mehrmals hin und herschwingen, dann bemerkt man, dass die Höhe und die Geschwindigkeit nach vielen Pendelschwingungen langsam abnehmen. Der Grund dafür sind die Reibungsverluste, die durch die Bewegung des Pendels in der Luft entstehen. Zusammenfassung Man stellt zunächst das Postulat auf, dass die Reibung in einem System keine Rolle spielt. In diesem Fall ist die Energie eine Erhaltungsgröße. Dies bedeutet, dass die Energie vorher genauso groß sein muss wie die Energie, die nachher vorhanden ist. Wird die Energie von einer Art in die andere Art umgwandelt, dann ist die aufgenommene Energie von der gleichen Größe wie die abgegebene Energie. Bemerkung Energie wird nicht erzeugt und Energie kann nicht verbraucht werden. Energie kann allenfalls in eine Energieart umgewandelt werden, die für die weitere technische Nutzung ungünstiger ist. Energie kann berechnet werden Höhenenergie Bisher hat man erkannt, dass die Energie ein künstlicher Begriff ist, um einen Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Größen herzustellen. Versuch 1: Wir werfen einen inealstischen Ball, den wir aus Knetmasse geformt haben aus einer Höhe von 1,00m zu Boden. Wir beobachten dabei die Verformung des Balls, wenn wir die Masse des Balls verdoppeln, verdreifachen und vervierfachen. Beobachtung 1 Man erkennt: Wird die Masse verdoppelt, dann wird die Verformung verdoppelt, wird die Masse

4 verdreifacht, dann wird die Verformung ebenfalls verdreifacht. Somit sieht man, dass die Verformung zur Masse direkt proportional ist. Zweiter Versuchsteil Im zweiten Teil des Experiments wird die Masse des Balls konstant gelassen und wir varieren die Höhe des Balls. Beobachtung 2 Man beobachtet, dass die Verformung bei doppelter, bzw. dreifacher Höhe doppelt bzw. dreifach so groß ist. Ergebnis Damit kann man als Ergebnis festhalten, dass die Verformung zur Höhe direkt proportional ist. Die Verformung des inelastischen Knetmasse- Balls ist ein Maß für die Höhenenergie, die in Verformungsenergie umgewandelt wurde. Weil Energie nicht verloren gehen kann, kann man mit diesem kleinen Experiment folgende wichtige Aussagen treffen: Die Höhenenergie ist direkt proportional zur Höhe Die Höhenenergie ist direkt proportional zur Masse. Diese Ergebnisse werden kombiniert zur Berechnungsformel für die Höhenenerie: Kinetische Energie Schanzenversuch: E Höhe =m g h (Formel zur Berechnung der Höhenenergie) Wir stellen mit einer Plastikschiene eine Schanze her, andessen Ende man ein Lichtschrankenpaar in einem Abstand von 5,00 cm der einzelnen Lichtschranken installiert. Auf dieser Schanze lässt man einen Wagen mit einer Masse m=10,0 g aus verschieden Höhen starten. Dabei wandelt sich die Höhenenergie in kinetische Energie um. Dies stellt man bei der Zeitmessung zwischen den beiden Lichtschranken fest. Messtabelle: H 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,39 T 0,05 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 V 1,06 1,79 1,92 2,08 2,17 2,5 2,63 v²/h 0,09 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,06 Ergebnis: Die Höhe ist ein Maß für die Höhenenergie und die Geschwindigkeit ein Maß für die kinetische Energie. Man erkennt nun aus der Messtabelle, dass der Quotient aus h und Geschwindigkeit im Quadrat direkt zu einander proportional ist. Weil die Höhenenergie sich auf der Schanze in kinetische Energie verwandelt, erkennt man aus der Messtabelle, dass die kinetische Energie direkt

5 proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Im zweiten Teil des Experiments lässt man nun einen Wagen aus einer konstanten Höhe über die Schanze fahren. Diesmal allerdings wird der Wagen durch Massestücke beschwert und damit seine Masse erhöht. Der Wagen wird vor der Fahrt jeweils gewogen und die folgende Messtabelle angefertigt: M in kg 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 V in m/s 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 m/v Ergebnis: Man erkennt aus dieser Tabelle, dass die Masse direkt proportional zu der erzielten Geschwindigkeit ist. Da die Geschwindigkeit wiederum das Maß für die kinetische Energie ist, ist das Fazit dieser Versuchsreihe, dass die kinetische Energie direkt proprotional zur Masse ist. Gesamtergebnis: Aus diesem Versuch sind wiederum zwei wichtige Erkenntnisse festzuhalten: Die kinetische Energie ist direkt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Die kinetische Energie ist direkt proportional zur Masse des Körpers. Diese beiden Aussagen werden in einer Formel für die kinetische Energie kombiniert: E kinetisch = 1 2 m v2 (Formel für die kinetische Energie)