Impulse Physik 7/8 Lösungen zum Schülerband Neubearbeitung von Wilhelm Bredthauer Klaus Gerd Bruns Manfred Grote Harald Köhncke Ernst Klett Verlag Stuttgart Leipzig
1. Auflage, 2008 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Die Vervielfältigung der Vorlagen für den eigenen Unterrichtsgebrauch ist gestattet; die Kopiergebühren sind abgegolten. Jede Nutzung in anderen als dem zuvor beschriebenen Fall bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2008. Alle Rechte vorbehalten. Internetadresse: http://www.klett.de ISBN: 978-3-12-772448-?
Inhaltsverzeichnis Energie...4 Elektrischer Strom...................................................................... 10 Gesetze des Stromkreises...17 Elektrische Energie...21 Bewegungen...25 Masse und Kraft...30 Zusammenwirken von Kräften...35
Energie Aufgaben S. 11 A1 Wasser im Stausee fließt ab. Energie wird abgegeben. Energie geht über Turbine dreht sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Generator dreht sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Elektromotor dreht sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Bohrer dreht sich, erwärmt sich. Energie wird aufgenommen und abgegeben. Energie geht über Holzstück wird verformt und erwärmt sich. Energie wird aufgenommen. Anmerkung: Spezifische Energiebegriffe stehen zu diesem Zeitpunkt noch nicht zur Verfügung. Der Kontakt mit der Umwelt wird hier nicht berücksichtigt. A2 Beispielhafte Stichworte: Elektrischer Wecker (wecken), Licht (sehen), Radio (sich unterhalten und informieren), Toaster, Wasserkocher, Eierkocher (Speisen bereiten), Kühlschrank (Speisen aufbewahren), Heizung (steuern und regeln), usw. Verzicht kaum vorstellbar. Aufgaben S. 12 A1 Energie des elektrischen Stromes Energiewandler Lampe Energie des Sonnenlichtes A2 Energie des gespannten Gummis Energiewandler Gummiband Energie des bewegten Wagens Energie des Sonnenlichtes Energiewandler Solarzelle Energie des elektrischen Stromes Aufgaben S. 13 A1 Energiewandler Energiewandler E H E B E B Wasserfall Rammbock E S 4 Energie
Aufgaben S. 13 Energiewandler Energiewandler E S E B E B Bogen Bremsscheibe E innere Energiewandler Energiewandler E ch E el E Licht Batterie Pflanzenblatt E ch Energiewandler Energiewandler E ch E H E Kern Rakete Kernkraftwerk E innere Aufgaben S. 14 A1 Einschätzung des Plakates individuell. Anforderungen i. W. erfüllt, wenn Überschrift eingefügt. Überschrift: Der Kreislauf des Wassers. Wasser auf der Erde wird durch Sonneneinstrahlung verdunstet Wolken werden gebildet mit dem Niederschlag gelangt Wasser wieder auf die Erde von höher gelegenen Bereichen fließt es ab ins Meer mit der Verdunstung beginnt der Kreislauf erneut. A2 Individuelle Schülerlösungen A3 Individuelle Schülerlösungen A4 Weil Kohle und Öl aus Pflanzen bzw. Tieren entstehen, die Sonnenlicht zum Leben benötigen, ist die Argumentation nicht tragfähig und die Sonne erweist sich in der Tat als wichtigste Energiequelle. Aufgaben S. 15 A1 In den Wandler hineinführender Pfeil und herausführender Pfeil sind gleich breit. A2 Auch bei leuchtender Lampe bewegt sich das Gewichtsstück, wenn auch langsam. Am Ausgang sind also zwei Pfeile notwendig, einer für E Licht und einer für E B. Sie sind zusammen so breit wie der Eingangspfeil E H. Weil man an E Licht interessiert ist, sollt E B so klein wie möglich sein. Aufgaben S. 16 Aufgaben S. 17 Aufgaben S. 18 A1 a) Doppelte Höhe beim gleichen Ring bzw. gleiche Höhe bei zwei Ringen weisen auf doppelte Höhenenergie hin. Entsprechend liegt die doppelte Spannenergie vor. b) Aus dem Vergleich mit der Tafel Schokolade folgt: Die Höhenenergie und entsprechend die Spannenergie beträgt 1 J. A1 Individuelle Schülerlösungen A1 a) Alle Werte beziehen sich auf 100 g Landbrot 867 kj Schlagsahne 1207 kj Weichkäse, 10 % Fett 761 kj Müsli 1420 kj Joghurt 0,1 % Fett 371 kj Steaksauce 505 kj Margarine 2780 kj Milch 1,5 % Fett 199 kj Marmelade 750 kj Speiseöl 3405 kj b) Eine Scheibe Brot: ca. 45 g, 1 Teelöffel Butter: ca. 5 g, eine Scheibe Käse: ca. 30 g. Dementsprechend ergibt sich mit Tabelle B3 auf Seite 18 des Schülerbuches: E = 405 kj + 155 kj + 90 kj = 650 kj Energie 5
Aufgaben S. 18 c) Ein 100-g-Schnitzel hat eine Energie von 1000 kj (Schülerbuch, S.18 B3). Für eine Minute Joggen benötigt man 50 kj (Schülerbuch, S.18 B5). Man kann also 20 Minuten joggen. A2 Die Energie muss vom Körper bereit gestellt werden. Offenbar ist empfundene Anstrengung nicht alleine von der Energie abhängig, sondern auch von der Zeit, innerhalb der sie bereitgestellt werden muss. Aufgaben S. 19 A1 Bei einem Stundenlohn von 8 entsprechen 10 Energiediener nach Schülerbuch, S.19 B4 80 /h. Bei einer Programmdauer von etwa 1,5 h ergibt das 120 für eine Wäsche. Bei 18 ct/kwh und dem Bedarf von 0,85 kwh ergibt sich 15,3 ct für eine Wäsche. A2 Die Angabe bedeutet, dass 45 kj zur Verfügung stehen, wenn 1 g Benzin verbrannt wird. Die Zeit für einen Energiediener ergibt sich aus 45 000 J _ 60 _ J = 750 s = 12,5 min. s Aufgaben S. 21 Aufgaben S. 23 A1 Fahrenheitskala: unterer Fixpunkt: Kältemischung (Eis, Wasser, Salmiak): 0 F oberer Fixpunkt: Körpertemperatur Mensch: 96 F Reaumur: Fixpunkte wie Celsius, aber oberer Fispunkt 80 Reaumur A1 Im Schülerband, S. 23, B2 wird deutlich, dass von einem Körper mit hoher Temperatur solange Energie auf einen Körper mit niedriger Temperatur übergeht, bis beide die gleiche Temperatur haben. In B5 hat das Metallstück eine höhere Temperatur als das umgebende Wasser. Es gibt deswegen Energie ab, die Pfeile zeigen es an. In B6 haben Metall und umgebendes Wasser die gleich Temperatur, es findet keine Energieübertragung mehr statt. A2 Auf der Seite wird erläutert, dass sich gleiche Mengen verschiedener Stoffe bei gleicher Energiezufuhr unterschiedlich erwärmen. Dieser Fall liegt hier vor. B3 zeigt, dass Wasser im Vergleich zu anderen Stoffen viel Energie braucht, um seine Temperatur um ein Grad zu steigern. Bei gleicher Energiezufuhr ist deswegen die Temperatur von Sand sehr viel mehr gestiegen als die von Wasser. Aufgaben S. 24 A1 E H Gehobenes Gewichtsstück Gewichtsstück E B Höhenenergie wird abgegeben E H Generator E el Lampe E Licht Aufgaben S. 25 A1 E el Glühlampe E Licht E innere E el Energiewandler Energiewandler Energiesparlampe E Licht E innere Begründung: Offenbar wandeln beide Lampen unterschiedliche Anteile der zugeführten elektrischen Energie in Lichtenergie um. Man kann das fühlen, denn die Glühlampe wird im Betrieb sehr heiß. D. h. neben Lichtenergie wird elektrische Energie in innere Energie umgewandelt. Für die gleiche Lichtenergie muss deswegen mehr elektrische Energie aufgewandt werden. 6 Energie
Aufgaben S. 26 Aufgaben S. 27 A1 Schülerband, S. 26 B3 zeigt, wie beim Jo-Jo Höhenenergie in Bewegungsenergie und diese wieder in Höhenenergie umgewandelt wird. Wenn dabei keine andere Energieform auftritt, kann der Prozess ohne Ende weiter gehen. Energie wird nicht entwertet. B4 zeigt, dass Höhenenergie vollständig in innere Energie umgewandelt wird. Diese kann nur eingeschränkt in andere Energieformen umgewandelt werden. Hier wird also Energie entwertet. A1 Das rechte Bild muss ganz nach links. Dabei wird angenommen, dass bei jedem Auftreffen ein Teil der Energie in innere Energie umgewandelt wird, die für den weiteren Prozess nicht mehr verfügbar ist. A2 Die Behauptung ist richtig: Es würden folgende Energieumwandlungen stattfinden: Von links nach rechts: E S E B E H Von rechts nach links: E H E B E S Rückblick S. 28 B1 Es geht hier um Energieentwertung, also Umwandlung in innere Energie, die Bei Umgebungstemperatur vorliegt. B2 Höhenenergiedes Wassers Bewegungsenergie des Wassers (und innere Energie); Bewegungsenergie der Hochspringerin Spannenergie des Stabes Höhenenergie der Hochspringerin (und innere Energie); Bewegungsenergie der Luft Bewegungsenergie des Windrades/ Generators elektrische Energie (und innere Energie); Höhenenergie der Schaukel Bewegungsenergie der Schaukel Höhenenergie der Schaukel (und innere Energie) beim reinen Ausschaukeln bzw. chemische Energie der Nahrung Bewegungsenergie der Muskeln Bewegungsenergie der Schaukel (und innere Energie) beim aktiven Schaukeln B3 Stausee E H Turbine E B Generator E el Lampe E Licht E innere B4 Widerspruch zum Prinzip der Energieerhaltung B5 Beide Lampen leuchten gleich hell, d.h. der Anteil der Lichtenergie ist gleich. Die Glühlampe wird dabei aber deutlich wärmer; sie wandelt also mehr elektrische Energie in innere Energie um. Heimversuche S. 29 1 Die schiefe Ebene Das Spielzeugauto läuft auf der horizontalen Unterlage aus und bleibt schließlich stehen, weil die Bewegungsenergie des Autos in innere Energie (des Autos, der Luft, der Unterlage) umgewandelt wird. Die Bewegungsenergie erhält das Auto durch Umwandlung von Höhenenergie. Je höher die Rampe ist, desto mehr Höhenenergie hat das Auto am Start und desto mehr Bewegungsenergie hat das Auto am Fuß der Rampe, und desto mehr muss in innere Energie umgewandelt werden bis das Auto steht. Also: je höher die Rampe, desto weiter rollt das Auto. 2 Die Linealschleuder Lineal Lineal entspannt sich Radiergummi Radiergummi steigt auf Radiergummi Radiergummi fällt wieder Radiergummi Radiergummi schlägt auf Umgebung gibt Energie ab E S nimmt Energie auf E B wandelt Energie um E H gibt Energie ab E innere nimmt Energie auf Energie 7
Aufgaben S. 29 Energieformen 1 Aufgestautes Wasser treibt Turbinen, hochgezogene Massenstücke treiben Pendel und Zeiger einer Uhr, ein gehobener Rammbock treibt Pfähle in die Erde. 2 Mit einer gespannten Feder kann man etwas bewegen (Spielzeugauto) oder hochheben (Trampolin). 3 In der gespannten Feder steckt Spannenergie; beim Entspannen nimmt diese ab und wird z. T. auf den Körper des Frosches übertragen und dabei in Bewegungsenergie umgewandelt. Da der Körper gleichzeitig gehoben wird, erfolgt auch Umwandlung in Höhenenergie. Im dritten Bild erkennt man, dass auch die Feder und der Fuß gehoben werden. Die Umwandlung der Bewegungsenergie erfolgt nun direkt in Höhenenergie. Im höchsten Punkt ist die gesamte Spannenergie (zum Teil direkt, zum Teil über den Umweg Bewegungsenergie) in Höhenenergie umgewandelt. E S E B E H E S E B E H E S E B E H 4 Herr Sparfuchs hat recht, wenn er vom Prinzip der Energieerhaltung spricht. Wenn er Energie nutzt, wird sie nur umgewandelt, z. B. wenn er mit einem Fahrstuhl einige Stockwerke hoch fährt. Diese Höhenenergie steht aber dem Lieferanten der elektrischen Energie nicht zur Verfügung. Außerdem wird bei den allermeisten Nutzungen Energie entwertet, weil ein Teil in innere Energie umgewandelt wird. Schließlich muss ein Energieversorgungsunternehmen auch die Vorrichtungen zur Energienutzung bereithalten, z. B. die Versorgungsleitungen für elektrische Energie. Herr Sparfuchs muss also zahlen. Aufgaben S. 30 5 Die Energie der Sonne wird in mehreren Schritten in Bewegungsenergie der Luft umgewandelt. Zunächst wird die Energie des Sonnenlichtes in den Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie treibt den Elektromotor bzw. die Achse mit dem Propeller an. Der Elektromotor wandelt also elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Der Propeller erzeugt einen Luftstrom, überträgt also die Bewegungsenergie von der Achse auf die Luft. 6 Diagramm 1 beschreibt eher die Übertragung der Energie von der Quelle auf die Lampe. Diagramm 2 beschreibt eher den Umwandlungsprozess, z. B. in der Lampe von elektrischer Energie in Lichtenergie. Batterie Elektrische Energie Lampe Energieübertragung 8 Energie
Aufgaben S. 30 E ch Batterie E el E el Lampe E Licht Energieumwandlung Energieumwandlung 7 a) Im Zähler steht immer die Einheit kj für Energie, im Nenner die Einheit einer Größe, die eine Menge des jeweiligen Stoffes beschreibt. Die Maßzahl gibt die Energie an, die bei Verbrennung jeweils einer Mengeneinheit zur Verfügung steht. b) Man braucht 0,012 kg Steinkohle, 0,023 kg Brennholz, 0,010 Heizöl, 0,011 m 3 Erdgas. 8 Energiestromdiagramm: A h maximal v = 0 h = 0 v maximal E B D A B C D E C 9 a) Es wird genau so viel Energie zugeführt wie abgeführt, die Temperatur des Körpers ändert sich nicht. b) Es wird mehr Energie zugeführt als abgeführt. Die Temperatur des Körpers steigt. c) Es wird mehr Energie abgeführt als zugeführt. Die Temperatur des Körpers fällt. Bei der Deutung wurde die Pfeilbreite als Energie pro Zeit interpretiert. 10 E el Glühlampe E Licht E innere E el Energiewandler Energiewandler Energiesparlampe E Licht E innere Man kann mit der Energiesparlampe sparen, weil ein größerer Teil der elektrischen Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. D. h., für einen bestimmten Bedarf an Lichtenergie wird weniger elektrische Energie benötigt. 11 Beispiele zur Umschreibung von Höhenenergie: Tritt bei der Achterbahn auf und ist maximal, wenn der Wagen am langsamsten ist; wird genutzt, wenn Wasser aus einem Stausee eine Turbine betreibt, die wiederum einen Generator antreibt, der schließlich Energie als elektrische Energie bereitstellt. 12 Helle Gebiete sind beispielsweise die südliche Hälfte von England, die Niederlande, Belgien, das Ruhrgebiet, die Poebene, Paris, Berlin, Madrid, Rom und Neapel, Athen; also v. a. Ballungsräume, Industriezentren und Großstädte mit ihrer konzentrierten nächtlichen Beleuchtung. In Ländern wie Belgien sind zusätzlich die Autobahnen beleuchtet. Erleuchtet sind auch touristisch geprägte Küstenstreifen oder sog. Offshore -Anlagen in der offenen See (Bohrinseln usw.) Die dunklen Gebiete sind dünn besiedelt oder haben eine geringe Infrastruktur Energie 9
Elektrischer Strom Aufgaben S. 34 A1 E H Energiewandler Energiewandler Generator E el Glühlampe E Licht E innere Aufgaben S. 36 Aufgaben S. 37 A1 Laufraddynamo: Der Laufraddynamo ist mit seinem Gehäuse leitend mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden. Eine leitende Verbindung besteht auch vom Gewinde der Glühlampen des Scheinwerfers und des Rücklichts über die Lampensockel zum Fahrradrahmen. Damit besteht bereits eine Leitung vom Dynamo zu den beiden Lampen. Es genügt je ein Kabel von der Kontaktschraube am Dynamo zum Fußkontakt der beiden Glühlampen, um die beiden Stromkreise zu schließen. Nabendynamo: Der Nabendynamo ist nicht leitend mit dem Fahrradrahmen verbunden. Von ihm führt daher eine Doppelleitung zum Scheinwerfer und von dort eine Doppelleitung zum Rücklicht. Mit einem Schalter am Scheinwerfer wird der Stromkreis geschlossen. A1 G G Laufraddynamo Scheinwerferlampe Rücklicht Nabendynamo Scheinwerferlampe Rücklicht Aufgaben S. 38 A1 Station V: Die Solarzelle Geräte: Solarmodul mit einer Nennspannung von 2V, 2 Kabel, 1 rote Leuchtdiode, 2 Krokodilklemmen 1. Schließe die Leuchtdiode über die beiden Kabel und die Krokodilklemmen an die Kontakte des Solarmoduls an. 2. Richte das Solarmodul zur Sonne. Vertausche gegebenenfalls die Polung der Leuchtdiode. 3. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energieübertragung. Vorschlag für weitere Lernstation: Station VI: Das Peltiermodul Geräte: Peltiermodul mit 2 Aluminimwürfeln, 2 Kabel, Elektromotor mit Ventilator, Becherglas mit heißem Wasser, 2 Thermometer 1. Lege ein Peltiermodul auf einen Aluminiumwürfel und miss seine Temperatur. Erhitze einen zweiten Aluminiumwürfel in einem Wasserbad auf eine Temperatur von etwa 50 C. 2. Schließe einen Elektromotor mit Propeller an das Modul an. 3. Setze den erhitzten Aluminiumwürfel auf das Modul auf 4. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energieübertragung. 10 Elektrischer Strom
Aufgaben S. 39 A1 Bewegungsenergie des Fahrrades wird im Dynamo in elektrische Energie umgewandelt. Chemische Energie der Kohle erhöht die innere Energie des Wassers. Diese wird in Bewegungsenergie des Wasserdampfes gewandelt und auf die Turbine übertragen. Die Turbine überträgt die Bewegungsenergie auf den Generator, der sie in elektrische Energie umwandelt. Bewegungsenergie der Luft wird über Windrag und Generator in elektrische Energie umgewandelt. A2 a) Bei offenen Anschlüssen muss wenig Energie aufgewendet werden, die Bewegungsenergie beim Kurbeln wird lediglich in innere Energie des Generator mit Kurbel umgewandelt. b) Bei angeschlossener Glühlampe muss aus der Bewegungsenergie beim Kurbeln zusätzlich noch Energie des Lichts und innere Energie der Glühlampe bereitgestellt werden. Das erfordert mehr Energie als bei offenen Anschlüssen, vermutlich wird die Person deshalb langsamer kurbeln oder nach kurzer Zeit aufhören zu kurbeln. Aufgaben S. 41 A1 Geräte: Netzgerät, 2 Kabel, Glasgefäß, 1 Stativ, 2 Stativklemmen, 2 Stativmuffen Chemikalien: Silberblech, Löffel aus unedlem Metall, Silberniträt-Lösung (10 %) Durchführung: Der Versuch wird nach der unten abgebildeten Skizze aufgebaut. Man gibt die Silbernitrat-Lösung in das Glasgefäß. Mithilfe der Stativklemmen werden die Elektroden befestigt, so dass sie in die Lösung eintauchen. Das Silberblech wird als Anode, der Löffel als Kathode geschaltet. Die angelegte Spannung beträgt etwa 2 Volt. Prinzipskizze Kathode Anode (Silber) zu versilbernder Gegenstand Ag Ag + Ag Silbernitratlösung A2 Schaltung Chemische Wirkung Magnetische Wirkung Wärmewirkung Chemische Wirkung: In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist das Knallgasvolumen V proportional zur Zeit t. Der Quotient V/t ist daher konstant. Der Quotient V/t ist umso größer, je stärker der Strom ist. Der Quotient V/t ist daher ein Maß für die Stromstärke. Elektrischer Strom 11
Aufgaben S. 41 Aufgaben S. 42 Magnetische Wirkung: In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die magnetische Wirkung konstant, d. h., der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist konstant Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist umso größer, je stärker der Strom ist. Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist daher ein Maß für die Stromstärke. Wärmewirkung: In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die Temperaturerhöhung eines metallischen Leiters konstant. Die Temperaturerhöhung ist umso größer, je stärker der Strom ist. Die Temperaturerhöhung (genauer die thermische Ausdehnung) eines metallischen Leiters ist daher ein Maß für die Stromstärke. A1 Reibt man verschiedene schlecht leitende Stoffe aneinander, so trennt man elektrische Ladung. Ein Beispiel dafür ist das Gehen in Schuhen mit Gummisohlen auf Teppichboden. In trockener Luft, die in Hochdruckwetterlagen auftritt, bleibt die getrennte Ladung bestehen. Beim Berühren der Türklinke spürt man dann die unangenehme Entladung des Körpers. A2 Bei Berührung der Experimentierkugel mit einem Pol der elektrische Quelle besteht Strom, elektrische Ladung hat sich vom Pol zur Kugel bewegt. Die Glimmlampe, die anschließend von der Kugel berührt wird, zeigt die von der Kugel abfließende Ladung an, denn sie leuchtet auf. Es hat sich Ladung von einem Pol der elektrischen Quelle über die Glimmlampe zum anderen Pol bewegt. Der unterbrochene Stromkreis kann mit der bewegten Experimentierkugel kurzzeitig geschlossen werden. Aufgaben S. 43 A1 Vor dem Reiben des Kunststoffstabes an einem Tuch enthalten sowohl Stab als auch Tuch gleich viele Elektronen wie positive Ladung. Beim Reiben bewegen sich Elektronen aus dem Tuch auf die Oberfläche des Stabes. Er ist nun negativ geladen. Das Tuch ist positiv geladen, da Elektronen fehlen. A2 Elektrischer Strom in Metallen bedeutet, dass sich Elektronen im Leiter bewegen. Positive Ladung im Leiter ist ortsfest. Elektronen treten vom Minuspol über die Klemme in den Leiter ein und verlassen ihn über die zweite Klemme in Richtung Pluspol. Aufgaben S. 46 A1 Haushaltsgerät Toaster Wasserkocher Glühlampe Leuchtstofflampe LED Mixgerät Lautsprecher Elektrische Zahnbürste Rasierapparat Fernsehapparat Wirkungen Vor allem Wärmewirkung Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung Vor allem Lichtwirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Magnetische Wirkung und Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung (bei Röhrengeräten auch magnetische Wirkung) Aufgaben S. 47 A1 3 A = 3 000 ma; 0,15 A = 150 ma; 0,08 A = 80 ma 1 500 ma = 1,5 A; 270 ma = 0,27 A; 50 ma = 0,05 A 12 Elektrischer Strom
Aufgaben S. 49 A1 Motor im (in der) Energiekette DVD-Laufwerk Elektrische Energie (Elektromotor) Bewegungsenergie und innere Energie Drucker s. o. Folienschweißgerät s. o. Föhn s. o. Elektrische Zahnbürste s. o. Rasierapparat s. o. Uhr s. o. Küchenmaschine/Mixer s. o. Waschmaschine s. o. Geschirrspülmaschine s. o. A2 es gilt: 1 W min = 60 W s = 60 J Gerät Leistung Energie in 10 min Anzahl Schokoladeneinheiten Taschenrechner 0,0005 W 0,005 Wmin 0,3 Taschenlampe 0,9 W 9 Wmin 540 Fahrradlampen 3 W 30 Wmin 1800 Rasierapparat 10 W 100 Wmin 6000 Autofernlicht 60 W 600 Wmin 36 000 Farbfernseher 110 W 1100 Wmin 66 000 Haartrockner 600 W 6000 Wmin 360 000 Automotor-Anlasser 1000 W 10000 Wmin 600 000 Bügeleiesen 1200 W 12000 Wmin 720 000 Waschmaschine 3500 W 35 000 Wmin 2100 000 Elektroherd, 4 Platten 7400 W 74 000 Wmin 4400 000 Elektrolokomotive 7000 kw 70000 kwmin 4200 000 000 ICE, 2 Triebköpfe 9600 kw 96 000 kwmin 5760 000 000 Generator im Kraftwerk 70000 kw 700 000 kwmin 42 000 000 000 Rückblick S. 50 B1 Durch das reiben des Pullovers an den Haaren wird Ladung getrennt. Das Knistern zeigt Entladevorgänge an. B2 Lichtenergie (Sonne) elektrische Energie (Solarzelle) Bewegungsenergie (Motor) B3 Durch Reiben wurde die (positiv) Folie geladen. Innerhalb der Haare wird negative Ladung zur Folie hin verschoben. Die Haare werden daher von der Folie angezogen. B4 Der Strom kommt vom Generator des Kraftwerks über den Fahrdraht zum Motor des Zuges. Über die Schiene (Erde) wird der Stromkreis zum Generator, der ebenfalls geerdet ist, geschlossen. B5 Das Messgerät zeigt einen Strom an, d. h., es liegt ein geschlossener Stromkreis (Batterie Lampe Junge Mädchen Messgerät Batterie) vor. Der menschliche Körper ist also ein elektrischer Leiter. B6 Die elektrische Leitung wird geschieht durch Transport von Ladung. Der Versuch zeigt: Die violette Lösung (Kaliumpermanganat) bewegt sich zum Pluspol, ist also negativ geladen, während sich die blaue Lösung (Kupfersulfat) zum Minuspol bewegt, also positiv geladen ist. Elektrischer Strom 13
Heimversuche S. 51 1 Der schwimmende Kompass Die beiden Metalle und die salzlösung bilden eine elektrische Quelle. Der Strom in der Spule ruft ein Magnetfeld hervor. Das schwimmende Brettchen mit der Spule ist also ein Magent, der sich im Magnetfeld der Erde ausrichtet. Es ist darauf zu achten, dass die Oberflächen der Leiter in der Salzlösung sauber sind. das mit dem nagel verbundene Ende des Kupferdrahtes darf nicht mit der Salzlösung in berührung kommen. Statt einer Salzlösung eignet sich auch verdünnte Zitronensäure. 2 Das Lametta-Elektroskop Wird der Nagel geladen, so verteilt sich die Ladung über den Nagel und die Alufäden. Die Alufäden sind somit gleichartig geladen und stoßen sich gegenseitig ab. 3 Elektrische Energie wird gezählt Individuelle Schülerlösung 4 Wie viel kostet 1 kw h? Individuelle Schülerlösung Aufgaben S. 52 Strom und Energie 1 Elektrische Quelle Batterie Dynamo Kraftwerk (Steckdose) Solarzelle Elektrische Geräte Fahrradlampe; ggf. Ventilator Fahrradlampe Elektroherd, Küchengerät, Ventilator ggf. Ventilator 2 Draht, Kabel oder Metallband von einem Pol der Batterie über Schalter zum Lampengewinde, durch die Lampe zum Lampensockel und zurück zur Batterie. 3 Bei Fahrrädern mit Laufraddynamo schließt der Fahrradrahmen den Stromkreis. 4 a) Die Ummantelung der Kabel dient Personen als Berührungsschutz und als Schutz vor Kurzschluss über Nachbarkabel bzw. vor schädlichen Umwelteinflüssen. b) Berührungsschutz ist nicht erforderlich. Vor Kurzschluss zwischen den Leitungen schützen die Luft und Keramikkörper an den Strommasten. 5 Leitend: Fuß und Gewinde der Lampe und der Ständer des Glühdrahts sind dicke Leiter; der Glühdraht ist wesentlich dünner. Nichtleitend: Glashülle, Birnensockel, Kitt und Glasfüllung. 6 Durch Nässe steigt die Leitfähigkeit der Haut. Unerwünschte Ströme durch den Körper können stärker und somit gefährlicher werden. Energieübertragung im Stromkreis 7 a) b) Steckdose Küchengerät E el Energiewandler Elektromotor E B E innere 14 Elektrischer Strom
Aufgaben S. 52 Wirkungen des elektrischen Stromes 8 a) Chemische Wirkung, Wärmewirkung, magnetische Wirkung, Lichtwirkung sind die Wirkungen des Stroms. b) Ein Galvanisiergerät nutzt die chemische Wirkung des Stromes. c) Nutzung der Wärmewirkung: Toaster, elektrischer Durchlauferhitzer, Wasserkocher, Elektroherd, Babyflaschenwärmer, Strom und Ladung 9 Die geladene CD übt Kräfte auf die Ladung der Papierstücke aus. Ist die CD positiv geladen, so wird negative Ladung des Papiers etwas zur CD hin verschoben. Folglich erscheint das Papier aus Richtung der CD wie ein negativ geladenes Papier. Es wird von der CD angezogen, berührt die CD, lädt sich dabei positiv auf und wird anschließend abgestoßen, weil es nun gleichnamige Ladung trägt. Das Papier fällt auf den Tisch, entlädt sich dabei. Der Vorgang wiederholt sich, bis die CD so weit entladen ist, das seine Anziehungskraft nicht mehr ausreicht, die CD zu heben. 10 Alle drei Stoffe tragen dieselbe Ladungsart. Elektrische Stromstärke 11 Elektrische Ladung wird erst durch (einheitliche) Bewegung zum elektrischen Strom. (Analogie Luft Wind: Was macht der Wind wenn er nicht weht?) 12 Die Stromstärke Ø, in A gemessen, gibt an, wie viele Elektronen je Sekunde an einem Messpunkt vorbeifließen. Jedes Elektron trägt eine sehr geringe elektrische Ladung. Je länger ein Strom besteht, desto mehr Ladung wird transportiert. Die Angabe 50 Ah auf der Batterie bedeutet z. B., dass im Stromkreis mit der Batterie 1 Stunde lang ein Strom von 50 A bestehen kann oder 5 Stunden lang eine Strom von 10 Ampere usw. Dabei wird die Ladung 50 Ah transportiert. 13 Gong, Klingel, elektrischer Türöffner, Geräte mit Elektromotor (Mixer, Staubsauger, Waschmaschine), etc. Elektrische Energie, Energiestromstärke 14 Die Energiestromstärke ergibt sich aus der Energie, die pro Zeiteinheit übertragen oder umgewandelt wird. In der Technik wird für die Energiestromstärke der Begriff Leistung verwendet. 15 Die Aussage ist nicht allgemeingültig. Bei gleicher Leistung bzw. gleichem Energiestrom besteht in verschiedenen Stromkreisen verschiedene Stromstärke, wenn die Spannung in den Stromkreisen verschieden ist. 16 Man schließt die Heizspirale an eine elektrische Quelle an. Man misst die Spannung der elektrischen Quelle mit einem Voltmeter und den in der Heizspirale umgewandelten Energiestrom mit einem Energiestrommessgerät. 17 a) Man benötigt 4,2 kj = 4 200J, um 1 Wasser um 1 C zu erwärmen, Der Wasserkocher leistet 2 000 W = 2 000 J/s, er benötigt _ 4 200 J 2 000 _ J = 2,1 s, um 1 Wasser um 1 C zu erwärmen. s Beträgt die Temperaturerhöhung 80 C, so dauert die Erwärmung auch 80mal so lang, also 2,1 80 s = 168 s, wenn man Energieströme in die Umgebung vernachlässigen kann. b) Die Aufschrift des Gerätes zeigt die Lösung: P = 2 000 W = 2 000 J/s. Insgesamt werden also E = 2000 J/s 168 s = 336 kj = 0,93 kw h umgewandelt. Elektrischer Strom 15
Aufgaben S. 52 18 Die Verringerung des Energiestroms beträgt 85 W. Energieeinsparung: E el = P t = 85 W 4 h 365 = 124 100 Wh = 124,1 kwh Die Ersparnis beträgt 124,1 kwh 0,12 /kwh = 14,89. 19 Leistungsstarke Geräte bedeutet Geräte hoher elektrischer Leistung, das bedeutet bei vorgegebener Spannung eine hohe Stromstärke. Wegen des elektrischen Widerstandes der Zuleitung wird elektrische Energie in innere Energie des Zuleitungsmaterials umgewandelt. Das führt zu einer Temperaturerhöhung der Zuleitung. Durch Abrollen der Leitung kann eine Überhitzung durch fehlende Energieableitung vermieden werden. 16 Elektrischer Strom
Gesetze des Stromkreises Aufgaben S. 54 A1 Gerät Fahrradlampe Handy Taschencomputer Erforderliche Spannung 6 V 5,3 V 6 V A2 Die Deutsche Bahn betreibt Elektroloks mit einer Spannung von 15 000 V. Aufgaben S. 56 Aufgaben S. 58 A1 Das Auseinanderziehen der entgegengesetzt geladenen Platten erfordert Energie. Die Energie der Ladung nimmt dabei zu, was das hellere Leuchten der LED anzeigt. Beim Veringern des Plattenabstandes nimmt die Energie der Ladung ab, ein weniger helles Aufleuchten der LED ist zu beobachten, wenn der Stromkreis geschlossen wird. A1 U in V 1 2 3 4 5 6 7 in V 0,2 0,39 0,61 0,85 1,15 1,45 1,82 R in Ω 5 5,13 4,92 4,7 4,35 4,14 3,85 A2 Eisendraht in Wasser Konstantan = 0,36 A/V U = 0,12 A/V U Aufgaben S. 59 Aufgaben S. 63 Aufgaben S. 65 A1 In Wasser bleibt die Temperatur des Eisendrahts bei Strom unterschiedlicher Stärke konstant. Daher verändert sich der Widerstand des Drahtes nicht. Stromstärke und Spannung sind unter diesen Bedingungen proportional zueinander, das Ohm sche Gesetz gilt. A1 = U / (R 1 + R 2 ) = 10 V / (100 Ω + 200 Ω) = 0,033 A = 33 ma A1 Aufgaben S. 66 A1 Die Geräte werden durch die Schmelzsicherung (Hauptsicherungskasten) und die Wohnungssicherungen geschützt. A2 Die Geräte können bei Parallelschaltung unabhängig ein- und ausgeschaltet werden. Bei Parallelschaltung werden alle Geräte mit gleicher Spannung versorgt. Damit ist ein beliebiges Austauschen von Haushaltsgeräten möglich. Gesetze des Stromkreises 17
Rückblick S. 68 B1 Es handelt sich um ein Vielfachmessgerät, also u. a. die Spannung, die Stromstärke und der Widerstand, d. h. als Volt-, Ampere- und Ohmmeter. B2 Da, wo der Fuß des Vogels den Draht berührt, verzweigt sich zwar der Stromkreis, aber die Stromstärke im Vogel ist bei weitem geringer als im Draht: Draht h Vogel, sodass keine Gefahr für den Vogel besteht. B3 Offensichtlich sind die Energiestromstärken in beiden Lampen gleich. Da die elektrische Energie bzw. die Energiestromstärke auch von der angelegten Spannung abhängt, kann man schließen, dass in den beiden Stromkreisen neben den unterschiedlichen Stromstärken auch unterschiedliche Spannungen vorliegen. B4 Die Äpfel sind in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Spannungen addieren. B5 Oben: Reihenschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 3 1,5 V = 4,5 V. Unten: Parallelschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 1,5 V. B6 Widerstände. Die Farbringe geben an, welchen Widerstandswert die einzelenen Bauteile haben. Heimversuche S. 69 1 Der sanfte Lichtschalter Schiebewiderstand und Glühlampe bilden eine Reihenschaltung. Mit diesem Spannungsteiler kann die Spannung für das Glühlämpchen reguliert werden. 2 Ein Feuermelder Wird der Eisendraht erhitzt, so nimmt sein Widerstand zu und das Lämpchen wird dunkler. 3 Ein elektrischer Kraftmesser Durch den unterschiedlichen Druck auf die Schachtel ändert sich die Packungsdichte und damit die Berührungsflächen der Kohlekörnchen. Dadurch wirkt die Schachtel als druckabhängiger, veränderlicher Widerstand. Gegebenenfalss kann auf Parallelen zum Kohlekörnermikrofon hingewiesen werden. Aufgaben S. 69 Spannung 1 Das Spannungsmessgerät muss parallel zu den beiden Messpunkten geschaltet werden. 2 a) gleichsinnig: 1,5 V + 1,5 V = 3 V b) gegensinnig: 1,5 V + ( 1,5 V) = 0 V 3 alle einzeln: 1,5 V und 9,0 V zweimal 1,5 V gleichsinnig in Reihe: 3,0 V 1,5 V und 9,0 V gleichsinnig in Reihe: 10,5 V alle gleichsinnig in Reihe: 12,0 V bei gegensinniger Reihenschaltung: 0 V; 6 V; 7,5 V; 9,0 V Parallelschaltung von zweimal 1,5 V: 1,5 V Parallelschaltung der 9,0 V und 1,5 V führt zur Entladung der 9,0 V-Batterie über 1,5 V-Batterie. Widerstand und Kennlinie 4 Der Widerstand des Leiters sagt etwas über den elektrischen Strom aus, der dann besteht, wenn eine bestimmte Spannung anliegt. Entsteht in einem Leiter bei der Spannung U die Stromstärke Ø, dann heißt der Quotient U/Ø Widerstand R. Aufgaben S. 70 5 * = 2 U/2 R = U/R = ; die Stromstärke bleibt unverändert. 18 Gesetze des Stromkreises
Aufgaben S. 70 6 a) Schaltung mit einem Messgerät für die Spannung parallel zum Leiter und einem Messgerät für die Stromstärke in Reihe. Spannung variieren, U und mehrfach messen und jeweils R = U/ berechnen. Mittelwert berechnen. b) Wie in Teilaufgabe a mit großen Unterschieden bei U und. Bleibt R = U/ konstant, so gilt in dem untersuchten Bereich das Ohm sche Gesetz. U 7 a) Kennlinie mit abnehmender Steigung, oberhalb 1 V fast linear. b) Metalldraht. c) Bei 4,5 V ca. 0,30 A; 0,18 A erreicht man bei etwa 1,6 V. d) Zugehörige Widerstandswerte in Ð: 6,7; 10,0; 12; 14; 16; 17. Ø-R-Diagramm bis 0,25 A fast linear steigend mit ca. 65 Ð/A, dann deutlich abflachend. Der Widerstand kann bis 0,15 A nicht angegeben werden. 0,4 0,3 0,2 0,1 in A U in V 0 0 1 2 3 4 5 6 8 a) Ø = U/R = 230 V / 3 000 Ð = 0,077 A = 77 ma (trocken: 7,7 ma) b) U = R Ø = 3 000 Ð 0,001 A = 3 V Hinweis: In der Praxis gelten Spannungen bis rund 30 V als ungefährlich. Erst oberhalb dieses Wertes müssen alle Leitungen berührungssicher sein. 9 U in V 20 35 91 45 Ø in A 0,29 0,50 1,3 0,64 Parallel- und Reihenschaltung 10 a) Reihenschaltung: Unterbricht man bei einem Gerät, arbeiten die anderen auch nicht mehr. Parallelschaltung: Die Geräte funktionieren weiter, wenn man eines abschaltet. b) Reihenschaltung: Stromstärke überall gleich 1 = 2 = = g Parallelschaltung: Einzelstromstärken addieren sich zur Gesamtstromstärke 1 + 2 + = g 11 a) Lampe = g / 25 = 2,5 A / 25 = 0,1A b) Lampe = g / x x = g / Lampe = 40. Es können 15 gleiche Lampen hinzugeschaltet werden. 12 Der Widerstand R 1 hat den kleinsten Wert der drei Bauteile. Viermal so groß ist der Widerstand R 3. Der Widerstand R 2 ist ein Drittel des Widerstands R 3. R 1 R 2 R 3 1 2 3 Gesetze des Stromkreises 19
Aufgaben S. 70 13 a) Stromstärkemessgeräte werden in Reihe geschaltet. Dabei addieren sich die Widerstände. Um den Einfluss des Messgerätes möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Stromstärkemessgerätes möglichst klein sein. b) Spannungsmessgeräte werden parallel geschaltet. Dadurch besteht im Messgerät ein zusätzlicher Strom. Um diesen unerwünschten Strom möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Spannungsmessgerätes möglichst groß sein. 14 Die Geräte sind parallel geschaltet, damit man sie unabhängig voneinander in Betrieb nehmen kann. Wären alle Elektrogeräte im Haushalt in Reihe geschaltet, könnte man sie nicht unabhängig voneinander in Betrieb nehmen. Würde man eines ausschalten, gingen alle aus! Um eines zu betreiben, müsste man alle einschalten! 15 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für U g und g enthalten. R 1 U 1 R 2 U 2 U g g 1 2 In der Parallelschaltung gilt: U g = U 1 = U 2 g = 1 + 2 (Knotenregel) P g = P 1 + P 2 16 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für U g und g enthalten. g U g R 1 R 2 1 2 U 1 U 2 In der Reihenschaltung gilt: U g = U 1 + U 2 R Ersatz = R 1 + R 2 g = 1 = 2 (Knotenregel) P g = P 1 + P 2 17 Wenn das Bügeleisen kalt ist, hält die Rückholfeder den Schalter geschlossen. Der Stromkreis kann durch die Heizwendel ist geschlossen und das Bügeleisen wird heiß. Dadurch biegt sich der Bimetallstreifen nach unten, öffnet den Schalter und der Strom wird unterbrochen. Das Bügeleisen kühlt sich ab, der Bimetallstreifen biegt sich zurück und der Schalter wird wieder geschlossen. Das Bügeleisen wird wieder heiß, und so weiter. 18 In der Reihenschaltung ist die Stromstärke in beiden Widerständen gleichen: g = 1 = 2. Die Spannung U 2 = g R 2 am Widerstand R 2 ist doppelt so groß wie am Widerstand R 1 (R 2 =200 Ω und R 1 = 100 Ω). Da sich in der Reihenschaltung der Energiestrom wie die Spannung auf die Widerstände verteilt, ist die Energiestromstärke zum Widerstand R 2 doppelt so groß wie derjenige zum Widerstand R 1. 20 Gesetze des Stromkreises
Elektrische Energie Aufgaben S. 72 A1 Benötigte Geräte: Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse. Man bewegt den vor der Spule befindlichen Stabmagneten hin und her bzw. man dreht den vor der Spulen stehenden Stabmagneten und misst mithilfe eines Voltmeters die Spannung an den Enden der Spule. Es entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz derjenigen der Pendelbewegung bzw. der Drehfrequenz des Stabmagneten entspricht. Alternativ kann auch die Spule bewegt bzw. gedreht werden und der Stabmagnet fest stehen. a) b) A2 Benötigte Geräte: 2 Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse Möglichkeit 1: Siehe Aufgabe A1 Alternative. Möglichkeit 2: Anstelle des Stabmagneten wird eine stromführende Spule verwendet. A3 Man ersetzt die Ringe an den Schleifkontakten durch einen Ring mit zwei getrennten Hälften. Jede Ringhälfte wird mit einem Ende der Spule verlötet. Über die Achse verbunden, drehen sich die Kommutator genannten Ringhälften mit der Spule mit. Die Schleifkontakte müssen sich gerade in dem Moment auf den Isolierungen befinden, in dem die Pole des Ankers den Polen des Feldmagneten gegenüberstehen. So ist gewährleistet, dass die Ankerspule bei ihrer Weiterdrehung umgepolt wird. Das Ankerspulenende das sich vom Nordpol der Feldspule wegbewegt, ist stets mit dem gleichen elektrischen Pol verbunden. Aufgaben S. 74 A1 a) Es ergibt sich ungefähr die eingezeichnete Position des Leuchtpunktes. b) Die vertikalen Platten sind beide negativ, so dass der Strahl weder nach oben noch nach unten abgelenkt wird. Die Ladung der beiden horizontalen Platten bewirkt eine Ablenkung nach links aus Sicht eines Beobachters von vorn. Elektrische Energie 21
Aufgaben S. 75 A1 Die Drehgeschwindigkeit, die die rote Zeit-Spannungskurve bewirkt, ist gerade doppelt so groß wie die Vergleichsgeschwindigkeit, dargestellt durch die blaue Kurve. 2 in A 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 U in V 2 Aufgaben S. 77 Aufgaben S. 79 Rückblick S. 80 A1 sämtliche Geräte im Haushalt, deren Betriebsspannung unterhalb der Netzspannung von 230 V liegt, z. B. Akku-Ladegeräte, Laptops, Drucker, Scanner, Halogen-Niedervoltlampen mit 12 V Betriebsspannung (eröffnet die Möglichkeit offener Leitungen) viele Geräte haben dazu integrierte Transformatoren Trenntrafos gegen Brummschleifen beim Anschluss von Computern an Stereoanlagen F -Schutzschalter Hochspannungs-Überlandleitungen mit hochtransformierter Übertragsunsspannung A1 Die Übertragungsverluste in Fernleitungen kann man dadurch klein halten, dass man Hochspannung verwendet. Beim Hochtransformieren der Spannung am Generator verkleinert sich die zugehörige Stromstärke, die Energiestromstärke bleibt nahezu gleich. Da die Stärke des Stroms für die (unerwünschte) Erwärmung der Fernleitung verantwortlich ist, lässt sich auf diese Weise der Anteil der vom Generator nutzbaren Energie vergrößern. B1 Im Kunststoffgehäuse des Zahnbürstenhalters ist eine Spule. Diese bildet zusammen mit der Spule, die mit dem Lämpchen verbunden ist einen Transformator, der die Spannung aus der Steckdose auf einen für das Lämpchen passenden Spannungswert herunter transformiert. B2 Bei 1 V kann eine Ladung von 1 As die Energie 1 J umwandeln. Die Batterie enthält die Ladung 45 Ah = 45 3600 As = 162 000 As. Wird diese Ladung bei 12 V transportiert, so wird die Energie 1 944 000 J = 1 944 kj umgewandelt. B3 Durch die nahezu gleichmäßige Rotation des Magneten ändert sich das magnetische Feld, das die Spule durchsetzt periodisch, sodass in der Spule eine Wechselspannung induziert wird. Amplitude und Periode sind unabhängig von der Drehrichtung. B4 Der Induktionsherd funktioniert nach dem Transformatorprinzip, d. h., in der Herdplatte ist die primärspule und der Topfboden bildet die Sekundärspule mit geringer Windungszahl. Wie beim Schweißtransformator ist dann die Stromstärke im Topfboden sehr groß (bei gleichzeitig geringer Spannung), sodass sich der Topfboden stark erwärmt. Heimversuche S. 81 1 Wir bauen einen Elektromotor Kritische Punkte für die Funktionalität des Motormodells sind die Schleifkontakte und die Lagerung des Ankers. Die Schleifkontakte müssen einerseitseinen widerstandsarmen Kontakt ermöglichen, andererseits darf die dabeiunvermeidliche Reibung nicht zu groß werden. Die Lagerungmuss reibungsarm erfolgen und dennoch eine sichere Führung garantieren. Anstelle der Nagelpaare als Lager kann man auch zwei kleine Winkeleisen auf dem Grundbrettbefestigen und die Achse durch die Bohrung der Winkeleisen stecken. 22 Elektrische Energie
Aufgaben S. 81 2 Versuche mit dem Dynamo a) Die Zahl entspricht der Anzahl der Magnetpaare im Dynamo. b) Durch die Drehung des Magnets im Dynamo entsteht an den Anschlüssen der Spule eine Wechselspannung. Die Anzahl der Perioden während einer Umdrehung der Dynamoachse ist dabei gleich der Anzahl der Magnetpaare. Im Kopfhörer wird die Wechselspannung in Schall umgewandelt. 3 Wechselspannung sichtbar gemacht Der Versuch ist wegen der niedrigen Spannung eine ungefährliche Version der bekannten Glimmlampenversuche. Im zeiten teil sollten die beiden LED in Längsrichtung genau übereinander auf einem Brettchen montiert werden. Der Schutzwiderstand wird nur einmal benötigt und in eines der gemeinsamen Leiterstücke gelegt. 4 Selbstbaulautsprecher Wird an die Spule eine Wechselspannung gelegt, so werden Magnet und Spule abwechselnd gegenseitig angezogen und abgestoßen. Die Membran schwingt dann im gleichen Takt wie die Spannung an der Spule. Aufgaben S. 82 Generator, Motor und Transformator 1 Ein Generator ist eine Maschine, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Das gelingt z. B. mit einer Anordnung wie im Schülerband, S. 72, B5, bei der sich eine Spule im Magnetfeld dreht. Es entsteht bei jeder Umdrehung des Ankers eine sich in Polung und Betrag ändernde Spannung. Man nennt sie Wechselspannung. Eine Wechselspannung entsteht auch an den Enden einer feststehenden Spule, wenn sich vor ihr ein Magnet dreht. Drehen sich Elektromagnete, so kann die in ihnen induzierte Spannung als Gleichspannung über entsprechend verschaltete Kommutatoren abgegriffen werden. Die Höhe einer in einer Generatorspule induzierten Spannung hängt von der Änderung und von der Stärke des sie durchsetzenden Magnetfeldes ab. Sie ist am kleinsten, wenn die Spulenachse annähernd quer zu den Feldlinien steht, sie ist am größten in dem Bereich, bei dem die Spulenachse nahezu parallel zu den Feldlinien zeigt. Erhöhen der Drehgeschwindigkeit und / oder Verwenden mehrerer felderzeugender Magnete (mit jeweils wechselnder Polung des Magnetfeldes in den sich vorbeidrehenden Spulen) pro Umlauf verändert das Magnetfeld rascher und die Spannung steigt entsprechend höher. 2 Eine Spannung, bei der periodisch die Polung gewechselt wird, heißt Wechselspannung. 3 Der Spannungsverlauf ist sinusartig. Die Anzahl der Perioden während einer Umdrehung ist gleich der Anzahl der Magnetpaare. Bei doppelter Geschwindigkeit erhält man doppelt so viele Perioden in der gleichen Zeit sowie doppelte Spannungsbeiträge. U in V t in s 4 a) An der elektrischen Quelle liegt Wechselspannung an. Zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegen sich die Elektronen im angeschlossenen Stromkreis in eine Richtung, wobei die Stärke des Elektronenstroms bis zu einem Höchstwert zunimmt und dann wieder auf 0A abnimmt. Anschließend wiederholt sich der Vorgang bei umgekehrter Richtung des Elektronenstroms. Besonders hell leuchtet die Lampe bei den Höchstwerten der Stromstärke in beiden Richtungen. Ist die Stromstärke 0A, so verlischt die Lampe für einen Moment. b) Eine LED lässt Strom nur in einer Richtung durch, die LED kann nur bei jeder 2. Halbperiode des Wechselstroms leuchten. Daher ist die Aussage in a) zur elektrischen Quelle richtig. c) Geräte: Netztransformator, 2 Kabel, Glühlampe, LED mit zugehörigem Widerstand. Durchführung: Zu a) Schließe die Glühlampe an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Spannung. Zu b) Schließe die LED an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Spannung. Elektrische Energie 23
Aufgaben S. 82 5 In einem Transformator befinden sich zwei Spulen Primärspule bzw. Sekundärspule genannt auf einem gemeinsamen Eisenkern. Eine periodische Änderung der Stromstärke in der Primärspule hat eine entsprechend periodische Änderung des Magnetfeldes im Eisenkern zur Folge. Die Sekundärspule wird von diesem Feld ebenfalls durchsetzt, es entsteht in ihr eine von der Stärke des Magnetfeldes und ihrer Windungszahl abhängige Spannung gleicher Periodizität. 6 Tim kann nicht die Energieprobleme der Welt lösen, weil man mit einem Trafo nicht gleichzeitig Spannung und Stromstärke erhöhen kann sondern stets nur eine der beiden Größen bei Verkleinerung der jeweils anderen. Die von Trafo abgegebene Energie ergibt sich aus der zum Trafo übertragenen Energie vermindert um die innere Energie, die beim Transformieren entsteht. Transport und Verteilung elektrischer Energie 7 Kraftwerkstyp Vorteile Nachteile Standort Voraussetzungen Meeresströmungskraftwerk Im Meer Genügend starke Strömungen Aufwindkraftwerk Kohlekraftwerk Kernkraftwerk Kontinuierliche Versorgung mit Kernbrennelementen; aufwändige Sicherheitsanforderungen Müllverbrennungsanlage Keinen Belastungen von Bewohnern in dichtbesiedelten Gebieten, keinerlei Emissionen Keinerlei Emissionen Koninuierliche Energieversorgung Koninuierliche Energieversorgung, keine direkte CO 2 - Emission Verringerung des Abfallvolumens, Energiegewinnung Energieverluste durch lange Transportwege, Schwieriger Bau Großer Flächenverbrauch, Abhängigkeit vom Sonnenschein Emissionen von Staub, Wasserdampf, CO 2, NO X, SO 2 Entsorgung des radioaktiven Abfalls Emissionen von Staub, Wasserdampf, CO 2, NO X, SO 2, Chlorwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure In wenig besiedelten Gebieten In Ballungsgebieten bei Kohlegruben bzw. an Transportwegen für Massengüter In der Nähe von Ballungsgebieten In der Nähe von Ballungsgebieten Hohe Sonneneinstrahlungsintensität Kostengünstige Versorgung mit Kohle, ausreichende Filterung giftiger Substanzen Kontinuierliche Versorgung mit Müll, ausreichende Filterung giftiger Substanzen 8 Energieverlust im physikalischen Sinne kann es aufgrund der Energieerhaltung nicht geben. Gemeint ist die sinkende Nutzbarkeit der Energie bzw. ihre Entwertung. Energieverluste sind Energieentwertungen hin zu thermischer bzw. innerer Energie, die im Laufe der Energieumwandlungskette immer schlechter als mechanische oder elektrische Nutzenergie rückgewinnbar ist. 9 Pro Jahr stehen durch den Umsatz in der Solarzelle 110 J/(s m 2 ) 60 60 24 365 s 0,15 = 5,20 10 8 J/m 2 elektrische Energie zur Verfügung. Der Bedarf ist 6 000 3,6 10 6 J = 2,16 10 10 J. Daraus ergibt sich ein Flächenbedarf von 2,16 10 10 J : 5,20 10 8 J/m 2 = 41,5 m 2. Der Flächenbedarf ist recht groß, stünde aber evtl. bei Nutzung aller Hausdächer zur Verfügung. Eine Vollversorgung ist dennoch kaum möglich, weil die zeitlichen Angebotsschwankungen nicht den zeitlichen Bedarfsschwankungen entsprechen. 24 Elektrische Energie
Bewegungen Aufgaben S. 85 A1 Im t-s-diagramm ist die schnellere Lok daran zu erkennen, dass in der gleichen Zeit ein größerer Weg als bei der langsameren Lok zurückgelegt wurde. Die Steigung der zugehörigen Gerade ist größer. Im t-v-diagramm liegt die zur schnelleren Lok gehörende (parallel zur t-achse verlaufende) Gerade oberhalb derjenigen der langsameren Lok. A2 t in s 0 5,89 11,95 17,74 23,66 29,49 s in m 0 20 40 60 80 100 v in m/s - 3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 t-s-diagramm: t-v-diagramm: 100 s in m v in m/s 80 4 60 3 40 2 20 1 0 0 10 20 30 t in s 0 0 10 20 30 t in s Beide Diagramme zeigen, dass die Geschwindigkeit nahezu konstant ist. Also hat sich der Radfahrer gleichförmig bewegt. A3 Der Zeitabstand zwischen den vier Fotos muss immer gleich gewesen sein. Aufgaben S. 86 A1 Es ergeben sich folgende Mittelwerte: t = 2 s; s = 0,6925 m t = 3 s; s = 1,045 m t = 4 s; s = 1,4025 m t = 5 s; s = 1,75 m Da die Messfehler nur sehr klein sind, ist kaum ein Unterschied zwischen den Diagrammen zu erkennen. Wird die Geschwindigkeit aus der Steigung ermittelt, so ergeben sich nahezu identische Werte. t-s-diagramm: s in m 1,6 1,2 0,8 0,4 0 0 1 2 3 4 5 6 t in s Bewegungen 25
Aufgaben S. 87 A1 Der grüne Graph zeigt die schnellere Bewegung, da er steiler verläuft. A2 Aus einem Steigungsdreieck zwischen t 1 = 1 s und t 2 = 4 s ergibt sich: ðt = 3 s, ðs 4,2 m; und damit v 4,2 m/3 s = 1,4 m/s. Wie die blaue Kurve so flacht auch die grüne Kurve in Diagramm B2 auf der Schülerbuchseite 87 am Ende der Bewegung etwas ab, während sie zu Beginn zunächst steiler wird. Am Anfang und am Ende der Bewegung müsste die Kurve im t-v-diagramm daher ähnlich aussehen wie im t-v-diagramm B3 auf der Schülerbuchseite 87. 1,5 1,0 0,5 0,0 v in m/s t in s 0 1 2 3 4 5 Aufgaben S. 88 A1 Der Schall benötigt für s = 75 m t = 0,22 s. A2 t = 1,47 s; t = 3,53 s; t = 14,71 s A3 s = 136 m; s = 850 m; s = 6 800 m; s = 612 km A4 Da der Schall in einer Sekunde 340 m zurück legt, schafft er in drei Sekunden 1 020 m. Das ist etwa 1 km für je drei Sekunden. Aufgaben S. 90 Aufgaben S. 91 A1 Es ist eine nach unten geöffnete Parabel, die ihren Scheitelpunkt zum Zeitpunkt der größten Höhe der Kugel erreicht. A1 zum Beispiel t = 3 s und v = 12 m/s. Dann ist a = 12 m_ s _ 3s = 4 m/s 2 A2 100 km/h = 27,78 m/s a 1 = _ 27,78 m_ s 12,2 s = 2,28 m/s 2 a 2 = _ 27,78 m_ s 9,8 s = 2,83 m/s 2 Aufgaben S. 92 Aufgaben S. 93 A1 Folgende Angaben könnten im Text enthalten sein: 2 Anfahren mit einer Beschleunigung von 0,22 m/s bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h. Ortsdurchfahrt für etwa drei Minuten mit konstanter Geschwindigkeit. Verlassen des Ortes und Beschleunigung auf freier Strecke mit a 0,08 m/s 2 bis auf 90 km/h. Langsames Abbremsen aufgrund eines vorausfahrenden Lkw bis auf 65 km/h. Überholen: Beschleunigung auf 100 km/h innerhalb von etwa 100 s ( a = 0,10 m/s 2 ). Langsames Abbremsen auf 50 km/h, Erreichen der nächsten Ortschaft nach insgesamt 12 Minuten. Insgesamt 13 Minuten Ortsdurchfahrt, dabei zwischen t = 19 min und t = 22 min Abbremsen, Stillstand und erneutes Anfahren aufgrund einer roten Ampel. Beschleunigung auf fast 90 km/h mit a = 0,19 m/s 2. Erhöhtes Verkehrsaufkommen und dadurch etwas ungleichförmige Fahrt bis t = 30 min. Sich stetig aber langsam verringernde Geschwindigkeit aufgrund von Kolonnenbildung. Nach t = 33 min Erreichen der nächsten Ortschaft. Stillstand nach knapp 35 Minuten, Erreichen des Ziels. A1 Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300 000 km/s. Nach t = s/v = 1 m / 300 000 000 m/s = 3,3 10-9 s ist die Länge des Urmeters also die Strecke, die das Licht in 3,3 Nanosekunden zurücklegt. 26 Bewegungen