Energieumwandlungen und Energieflussdiagramme Stand: 26.08.2015 Jahrgangsstufen 8 Fach/Fächer Physik Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Vorgänge in Alltag, Technik und Natur mithilfe von Energieumwandlungen, insbesondere mechanische Vorgänge mithilfe der kinetischen Energie, der Höhenenergie und der Spannenergie. Hierbei verwenden sie fachsprachlich korrekte Formulierungen. Seite 1 von 5
Aufgabe a) Betrachte das Video Sprungscheibe und beschreibe mit Worten, welche Energieformen und Energieumwandlungen während der dargestellten Bewegung auftreten. Ein Vorgang, bei dem ein Gerät eine Energieform in eine andere umwandelt, kann gut mithilfe eines so genannten Energieflussdiagramms dargestellt werden. Die Abbildung links zeigt, wie ein Tauchsieder in einem Energieflussdiagramm dargestellt werden kann, die Abbildung rechts ein Energieflussdiagramm für eine Glühlampe. b) Bei einer Diesellokomotive treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator an. An den Generator ist wiederum ein Elektromotor angeschlossen, der die Lokomotive antreibt. Keine der Komponenten dieses Antriebs arbeitet völlig verlustfrei. Zeichne ein Energieflussdiagramm für diese Lokomotive. c) Die beiden Abbildungen rechts und unten zeigen ein Wasserkraftwerk, das Walchenseekraftwerk am südbayerischen Alpenrand. Zeichne für dieses Kraftwerk ein Energieflussdiagramm. d) Sieh dir das Video Mehrere Energieumwandlungen im Versuch an und erstelle ein passendes Energieflussdiagramm. Seite 2 von 5
Quellen- und Literaturangaben Eingesetzte Videos in obiger Aufgabe: Video Sprungscheibe : 8.2.1_Material_Film Sprungscheibe.mp4 (Download im LIS) Video Mehrere Energieumwandlungen im Versuch : 8.2.1_Material_Film Mehrere Energieumwandlungen im Versuch.mp4 (Download im LIS) Abbildungen in Teilaufgabe c): upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/28/walchenseekw-0b.jpg/675px-walchenseekw- 0b.jpg upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2a/walchenseekraftwerk_gelaendeschnitt.png Hinweise zum Unterricht Die angesprochene Kompetenzerwartung bezieht sich auf den Bereich "Kommunizieren", genauer auf die Aspekte Entnehmen von Informationen aus unterschiedlichen Quellen (bei dieser Aufgabe: Text, Bilder, Videos) und fachspezifische Darstellungsformen (bei dieser Aufgabe Energieflussdiagramme) verwenden. Mit der Aufgabe wird die folgende grundegende Kompetenz der Jahrgangsstufe 8 angesprochen: Sie beschreiben Vorgänge in Alltag, Technik und Natur mithilfe von Energieumwandlungen, nutzen das Prinzip der Energieerhaltung zum Bilanzieren der beteiligten Energieformen und beziehen die Größe Arbeit bei der Anwendung des Prinzips der Energieerhaltung ein. Bei der hier verwendeten Form der Energieflussdiagramme (vgl. die folgenden Beispiele für Schülerlösungen) werden die auftretenden Energien durch Pfeile dargestellt und die Energiewandler mit einem Kasten. Durch die Breite der Pfeile wird der jeweilige Wert der Energie visualisiert. Bei Teilaufgabe b) ist explizit erwähnt, dass bei den Energieumwandlungen in der Regel auch thermische Energie, die an die Umgebung abgegeben wird, entsteht. Grundsätzlich ist dies durchgehend zu berücksichtigen; für einen ersten Zugang können die Aufgabenstellungen allerdings dahingehend vereinfacht werden, dass das Auftreten thermischer Energie vernachlässigt wird. Grundlegendes über den Aufbau von Kraftwerken wird den Schülerinnen und Schülern in der Regel nicht bekannt sein. Darum sind im Lösungsbeispiel zu Teilaufgabe c) die Energiewandler Turbine und Generator zum Energiewandler Kraftwerk zusammengefasst. Seite 3 von 5
Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler a) Man sieht deutlich, dass die Gummischeibe (Sprungscheibe) nach dem Aufprall eine größere Höhe erreicht als die ursprüngliche Höhe, aus der sie (aus der Ruhe) gestartet war. Es muss also zu Beginn neben der Höhenenergie noch eine andere Energieform vorliegen: Die Gummischeibe ist verformt ( gespannt ) und schnappt beim Aufprall auf den Boden in ihre ursprüngliche Form zurück. Dabei wird die bereits beim Start vorhandene Spannenergie zusätzlich in kinetische Energie umgewandelt. b) Auftretende Energieformen und Energieumwandlungen: Start: Höhenenergie und Spannenergie der gespannten Gummischeibe. Bewegung nach unten: Umwandlung von Höhenenergie in kinetische Energie; die Spannenergie bleibt unverändert. Aufprall auf den Boden: Zunächst beim Aufprall Umwandlung der kinetischen Energie in zusätzliche Spannenergie der Gummischeibe; dann Umwandlung der gesamten in der gespannten Gummischeibe gespeicherten Energie in kinetische Energie (diese ist größer als die kinetische Energie beim Aufprall). Bewegung nach oben: Umwandlung von kinetischer Energie in Höhenenergie; keine Spannenergie mehr vorhanden. Höchster Punkt: Nur noch Höhenenergie vorhanden. c) Hier erfolgt die erste Energieumwandlung (Höhenenergie in kinetische Energie) ohne den Einfluss eines Energiewandlers; die Darstellungsform muss entsprechend angepasst werden. d) Da das Wasser nach dem Verlassen des Kraftwerks noch in Bewegung ist, liegt auch dann noch kinetische Energie des Wassers vor. Seite 4 von 5
Anregung zum weiteren Lernen Weiteres geeignetes Videomaterial für diese Aufgabe: Video 8.2.1_Material_Film Huepfball.mp4 (Download im LIS) oder Internetrecherche zum Stichwort Astroblaster. Seite 5 von 5