KAPITEL 1: Die Welt, in der wir uns bewegen Kugel Kugel Tischplatte Zug beschleunigt Tischplatte Zug bremst Die Kugel möchte ihren Bewegungszustand beibehalten. Bestimmen der Masse mit einer Balkenwaage... aber kleinere Dichte. Styropor: 0,04 g/cm³ Holz: 0,5 0,9 g/cm³ Eisen: 7,8 g/cm³ Blei: 11,3 g/cm³ Größere Masse,... Die Dichte von Stoffen 1 cm³ Gleich große Stücke werden verglichen. 50 g 20 g 2 g 1 g 9,5 ml Bestimmen der Dichte 8
Masse und Dichte Masse und Trägheit Wenn du in der Straßenbahn oder im Bus stehst, solltest du dich gut festhalten, damit du nicht umgerissen wirst. Wenn das Fahrzeug aus der Station fährt, zieht es dich nach hinten, wenn es bremst nach vorne und wenn es um eine scharfe Kurve fährt, drängt es dich nach außen. Eine Kugel auf einem Tisch in einem Zug zeigt dasselbe Verhalten. Diesen Widerstand gegen Bewegungsänderung nennen wir in der Physik Trägheit. Schuld daran ist die Masse der Körper. Sie wird in Kilogramm (kg) angegeben. Weitere Einheiten sind Gramm (g) und Tonnen (t). 1 t = 1 000 kg 1 kg = 1 000 g 1 g = 0,001 kg 1 kg = 0,001 t Möchte man die Masse eines Körpers bestimmen, so kann man das durch Vergleich mit anderen, bekannten Massen machen. Dafür eignet sich z. B. eine Balkenwaage und ein Massensatz, in dem kleine und große Massestücke enthalten sind. Die Dichte Manchmal reicht die Masse eines Körpers zur Beschreibung seines Verhaltens aber nicht aus. Das Holzstück (Bild links) hat eine viel größere Masse als der kleine Nagel. Dennoch schwimmt es auf dem Wasser, während der Nagel untergeht. Der Grund dafür ist natürlich, dass das Holzstück nicht nur eine größere Masse, sondern auch ein größeres Volumen hat. Oft ist es deshalb besser, wenn wir die Masse von gleich großen Körpern miteinander vergleichen. Das könnten Würfel mit einer Seitenlänge von 1 cm sein. Ihr Volumen beträgt 1 cm³. Besteht ein solcher Würfel aus Eisen, so hat er eine Masse von 7,8 g. Besteht er aus Holz, so hat er nur 0,5 0,9 g (je nach Holzsorte). Damit haben wir uns eine neue physikalische Größe geschaffen und nennen sie Dichte. Die Dichte eines Gegenstandes kann man berechnen. Dichte = Masse Volumen = m V Dazu muss man zuerst die Masse und das Volumen messen. Besteht der Gegenstand aus mehreren verschiedenen Stoffen, so erhält man eine mittlere Dichte. 2. Klasse 9
KAPITEL 1: Die Welt, in der wir uns bewegen Drehpunkt Drehrichtung schwache Drehwirkung F starke Drehwirkung Die Drehwirkung einer Kraft Last Lastarm* Zweiseitiger Hebel Kraft 12 cm 12 cm Kraftarm* Lastarm* Last Einseitiger Hebel Kraft 6 cm 12 cm Kraftarm* * Die Hebelarme sind vom Drehpunkt aus zur Kraft bzw. zur Last zu messen. Ein- und zweiseitiger Hebel 4 cm 12 cm Beispiele zum Hebelgesetz Schwerpunkt Gewichtskraft Schwerpunkt Schwerelinien Lot Der Schwerpunkt 16
Die Drehwirkung von Kräften Hebel Wenn man einen Bleistift an der Spitze festhält und am anderen Ende eine Kraft wirken lässt, dann beginnt sich der Stift zu drehen. Die Spitze ist dabei der Drehpunkt. Die Drehwirkung der Kraft hängt von der Stärke der Kraft ab, aber auch davon, wie weit entfernt sie vom Drehpunkt wirkt. Je größer die Entfernung ist, umso größer ist auch die Drehwirkung. Spannt man eine Blattfeder in einen Schraubstock, so verbiegt sie sich stärker, wenn man ganz außen drückt. Wenn an einer Stange mehrere Kräfte wirken, dann hat man einen Hebel. Er ist dann im Gleichgewicht, wenn die Drehwirkung nach rechts gleich groß ist wie die Drehwirkung nach links. Wirkt vom Drehpunkt aus auf jeder Seite eine Kraft, so ist das ein zweiseitiger Hebel. Probiert man verschiedene Gewichte aus, so sieht man, dass immer dann Gleichgewicht herrscht, wenn gilt: Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm Die Kräfte müssen dabei senkrecht auf die Hebelarme wirken. Man nennt dies das Hebelgesetz. Wenn der Kraftarm doppelt so lang ist wie der Lastarm, dann ist die Kraft, die ich brauche, nur halb so groß wie das Gewicht der Last. Ist der Kraftarm dreimal so lang wie der Lastarm, so brauche ich sogar nur ein Drittel des Gewichtes der Last. Wirken beide Kräfte auf der gleichen Seite des Drehpunktes, so haben wir einen einseitigen Hebel. Auch hier gilt natürlich das Hebelgesetz. Die Länge von Kraft- und Lastarm müssen wir wieder vom gemeinsamen Drehpunkt aus messen. Der Schwerpunkt Wenn man eine rechteckige Platte genau in der Mitte mit dem Finger unterstützt, dann fällt sie nicht hinunter. Diesen Punkt nennt man Schwerpunkt. Hier greift die Gewichtskraft an. Auch ein Besen hat einen Schwerpunkt. Allerdings ist er nicht in der Mitte. Man kann den Schwerpunkt mit Hilfe eines Experiments finden. Dazu hängt man den Gegenstand drehbar auf und befestigt am Drehpunkt ein Lot. Die Linie des Lotes wird durch einen Strich markiert. Das wiederholt man an anderen Stellen des Körpers. Alle diese Linien schneiden sich in einem Punkt, dem Schwerpunkt. 17 2. Klasse
KAPITEL 2: Alle Körper bestehen aus Teilchen Der Wasserdruck wirkt von allen Seiten. Er nimmt mit der Tiefe zu. Der Wasserdruck auf die Deckfläche ist kleiner als auf die Bodenfläche. Der Unterschied bewirkt den Auftrieb. Der Wasserdruck 5,5-3 = 2,5 N 5,5 N 3 N Der Auftrieb: scheinbarer Gewichtsverlust unter Wasser? Der Auftrieb beträgt 2,5 N. schwimmt = > Sinkt = Schwebt Steigt auf < Oil Sinken, Schweben, Schwimmen Dichte in kg/dm³ Holz 0,5 0,9 Öl 0,7 0,9 Wassereis 0,9 Wasser 1,0 Glas 2,5 Eisen 7,8 schwimmt sinkt 34
Der Wasserdruck Der Auftrieb in Wasser Schwimmen, Schweben, Sinken Schon einige Meter unter Wasser spürt man, dass das Wasser auf den Körper einen Druck ausübt. Dieser wird umso stärker, je tiefer man taucht. Den Druck als physikalische Größe haben wir bei den Kräften kennengelernt (siehe S. 15). Verursacht wird der Druck vom Gewicht des Wassers, das über uns liegt. In größerer Wassertiefe haben wir mehr Wasser über uns und das hat natürlich mehr Gewicht. Pro 10 m Tiefe nimmt der Druck um ungefähr 1 bar zu. Obwohl das Gewicht des Wassers nach unten gerichtet ist, wirkt der Druck des Wassers in alle Richtungen. Solange sich ein Gegenstand unter Wasser befindet, fällt es leichter ihn anzuheben, als wenn er über Wasser ist. Im Wasser verliert er scheinbar an Gewicht. Wir nennen diesen Effekt Auftrieb. Verantwortlich dafür ist der Wasserdruck, der ja mit der Tiefe immer stärker wird. Die Kraft, mit der das Wasser den Körper nach oben drückt, ist deshalb größer als die Kraft, mit der sie ihn nach unten drückt. Der Unterschied zwischen beiden Kräften ist der Auftrieb. Das Archimedische Prinzip beschreibt die Größe des Auftriebs: Der Auftrieb ist so groß, wie das Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Sinken, Schweben, Schwimmen Ein Gegenstand sinkt im Wasser, wenn sein Gewicht größer ist als der Auftrieb. Da der Auftrieb nicht von der Tiefe unter Wasser abhängt, sinkt der Gegenstand bis zum Boden des Sees oder Meeres. Ist das Gewicht des Gegenstandes gleich groß wie der Auftrieb, schwebt er im Wasser. Ist der Auftrieb größer, steigt er nach oben an die Oberfläche. Er verdrängt dort weniger Wasser. Der Auftrieb wird kleiner, bis Gewicht und Auftrieb gleich groß sind. Dann schwimmt er. Aufgrund der Dichte kann man vorhersagen, ob ein Gegenstand untergehen oder schwimmen wird. Die Dichte von Wasser beträgt 1 kg/dm³. Gegenstände mit einer größeren mittleren Dichte gehen unter. Gegenstände mit einer kleineren mittleren Dichte schwimmen. 2. Klasse 35