Grundwissenskatalog zu Pysik 8.Jargangsstufe, Seite von 5 Carl-Friedric Gauß Gymnasium Scwandorf Stand: Sept. 0 Wissen Können Beispiele, Ergänzungen Energie Energie kann in versciedenen Formen vorkommen. Eine Energieform kann in andere Energieformen umgewandelt werden. Prinzip der Energieeraltung: In einem abgesclossenen System bleibt die Summe der Beträge aller Energieformen konstant. Mecanisce Energieformen a) Kinetisce Energie (Bewegungsenergie): E kin = m v b) Höenenergie (Lageenergie): Für die Änderung der Höenenergie gilt: E = m g c) Spannenergie: E spann = D s Eineit der Energie [ E ] = Joule = J = Nm ( Newtonmeter ) = = Ws ( Wattsekunde ) Energieentwertung Bei allen real ablaufenden Prozessen wird Energie in eine weniger nutzbare Form umgewandelt (letztlic in innere Energie), d.. sie wird entwertet. Diese Vorgänge sind irreversibel (nict umkerbar); aus diesem Grund gibt es kein Perpetuum mobile. Arbeit Energie kann von einem System auf das andere übertragen werden, wenn längs eines Weges s eine Kraft F wirkt, z.b. beim Bescleunigen eines Farzeuges. Man sagt: Es wird Arbeit verrictet, ier Bescleunigungsarbeit. Die Menge der dabei übertragenen Energie nennt man Arbeit (W, engl. work). Es gilt: W = F s Goldene Regel der Mecanik Jede Verringerung des Kraftaufwandes mit Hilfe eines Kraftwandlers fürt zu einer Verlängerung des Weges, der zurückgelegt werden muss (und umgekert). Nenne versciedene Energieformen. Nenne zu einem Beispiel aus deiner Umgebung, welce Energieformen ineinander umgewandelt werden. -seil der Federärte 00 m N? Welce Energieform ist für uns die wertvollste? Welce die mit dem geringsten Wert? Nenne Beispiele, wo im Alltag durc das Verricten von Arbeit Energie übertragen wird und bescreibe die dabei auftretende Kraft. Bescreibe die goldene Regel der Mecanik an Hand der Beispiele Flascenzug (Abb. rects), Zange und Rampe für Einkaufswagen. Ein Taucsieder wandelt elektrisce Energie in innere Energie um (Wasser wird eiß). Ein Benzinmotor wandelt die cemisce Energie des Benzins zum Teil in Bewegungsenergie um. Bei einem in und er scwingenden Fadenpendel bleibt die Summe aus Lageenergie und Bewegungsenergie des Pendelkörpers zu jedem Zeitpunkt gleic groß. Berecne! Wie viel Bewegungsenergie at ein E kin : Ein Farradfarer (Farer + Farrad wiegen 80 kg) at bei einer km km,5 t scwerer PKW bei 00? Gescwindigkeit von 8 eine kinetisce Energie von Welce Höenenergie gewinnt ein 8 m 80 kg scwerer Wanderer beim E kin = 80 kg = 000 J =,0 kj. Erklimmen einer 000 m oen 3,6 s Felswand? Welce Spannenergie steckt in E : Wenn ein 60 kg scwerer Scüler im Sculaus von einem Stock in den näcsten, 4 m öer liegenden get, ändert er seine einem um0m gespannten Bungee Höenenergie um E N = 60 kg 0 4 m = 400 J,4 kj. = kg E spann : Stützt sic ein 60 kg scwerer Radfarer voll auf den Lenker, so wird die Federgabel um 4,0 cm gestauct. Die Federgabel at also 600 N N eine Federkonstante von D = = 50 4 cm cm In der Federgabel ist dann die Spannenergie N E spann = 50 (4 cm) = 00 N cm = Nm = J gespeicert. cm Das blockierende Hinterrad eines Farrades muss mit einer Kraft von 00 N über den Aspalt gezogen werden. Bremst man so über 5,0 m inweg ( quietscendes Hinterrad ), so verrictet man eine Reibungsarbeit von W reib = F reib. s = 00 N. 5,0 m = 000 Nm =,0 kj. Das Farrad verliert also,0 kj an Bewegungsenergie und wird entsprecend langsamer. Flascenzug als Kraftwandler Man ziet anstatt mit 0 N nur mit 0 N, dafür wird der zurückzulegende Weg doppelt so lange; m statt 0,5 m.
Grundwissenskatalog zu Pysik 8.Jargangsstufe, Seite von 5 Carl-Friedric Gauß Gymnasium Scwandorf Leistung km Erkläre den Unterscied zwiscen Wenn ein Farradfarer (gesamt 80 kg) in 4,0 s von 0 auf 8 Die Leistung P ist der Quotient aus übertragender Energie E Leistung und Energie. und der dafür benötigten Zeit t. bescleunigen möcte, muss im in diesen 4,0 s die E Nm J Bewegungsenergie von,0 kj zugefürt werden (siee Bsp. oben). P = [ P ] = = = Watt = W Warum kann man für die Energie Dazu ist mindestens eine Leistung von t s s auc die Eineit Wattsekunde, E,0 kj Ws verwenden? P = = = 50 W nötig. Wirkungsgrad t 4,0 s Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus genutzter Energie (bzw. Leistung) und aufgewandter Energie (bzw. Leistung). E Nutz PNutz η = = kurz: η = Nutzen durc E P Da Energie immer entwertet wird, ist der stets größer als der Nutzen und damitη <. Welcen Wirkungsgrad at ein Taucsieder? Von den 4 MJ, die in Liter Benzin an cemiscer Energie zur Verfügung steen, können von einem durcscnittlicen benzinbetriebenen Auto nur etwa MJ für die Bewegung genutzt werden. Der Rest get letztendlic verloren bzw. fürt zur Erwärmung der Umgebung. Der Wirkungsgrad des Autos beträgt daer nur E Nutz MJ η = = 6 % = 0,6. E 4 MJ Aggregatzustände im Teilcenmodell und innere Energie Körper können sic in versciedenen Aggregatzuständen befinden. Die Untersciede zwiscen den Aggregatzuständen lassen sic im Teilcenmodell bescreiben: Feste Körper: Regelmäßige und feste Anordnung der Teilcen feste Gestalt, festes Volumen Flüssigkeiten: Unregelmäßige Anordnung der Teilcen. Sie sind gegeneinander versciebbar. keine feste Gestalt, festes Volumen Gase: Abstände zwiscen Teilcen sind groß, sie fliegen frei. keine feste Gestalt, kein festes Volumen Temperatur Die mittlere kinetisce Energie der Teilcen eines Körpers ist ein Maß für seine Temperatur und umgekert. Zur Messung der Temperatur gibt es versciedene Skalen: Die Celsius-Skala verwendet als Fixpunkte die Temperatur von Eiswasser (0 C) und siedendem Wasser (00 C). Bei der absoluten Temperatur mit der Kelvin-Skala (Eineit Kelvin = K) wird der absolute Temperaturnullpunkt (= -73 C), an dem die Teilcen keine kinetisce Energie mer besitzen, mit 0 K bezeicnet. Die Kelvin-Skala at daer keine negativen Temperaturwerte. Ein Temperaturunterscied von K ist genauso groß wie der Unterscied von C. Nenne die drei Aggregatzustände von Wasser und bescreibe sie im Teilcenmodell. Erkläre an Hand des Muldenmodells (Abb. rects),...... woraus sic die innere Energie eines Körpers zusammensetzt.... was man unter der Temperatur verstet.... wie man sic den absoluten Temperatur-nullpunkt vorstellen kann. Modellvorstellung Kugeln als Teilcen in Mulden : Die feste Anordnung der Teilcen im Festkörper kann durcbrocen werden, wenn die Teilcen scneller werden (Körper wird eißer) und aus dem Verband ausbrecen (Übergang zur Flüssigkeit). Die Gescwindigkeiten und Bewegungsrictungen der Teilcen sind dabei völlig untersciedlic.
Grundwissenskatalog zu Pysik 8.Jargangsstufe, Seite 3 von 5 Carl-Friedric Gauß Gymnasium Scwandorf Die innere Energie eines Körpers setzt sic aus der potenziellen und kinetiscen Energie seiner Teilcen zusammen. Erster Hauptsatz der Wärmelere Die Änderung der inneren Energie eines Körpers setzt sic aus der am oder vom Körper verricteten Arbeit und der zu- oder abgefürten Wärme zusammen. Arbeit und Wärme bescreiben Energiemengen nur wärend ires Transports! Volumenänderung bei Energiezufur/-entzug Feste, flüssige und gasförmige Körper denen sic üblicerweise aus, wenn man sie erwärmt und zieen sic wieder zusammen, wenn sie abkülen. Versciedene Flüssigkeiten denen sic dabei bei gleicer Temperatureröung untersciedlic stark aus, Gase aben dagegen immer das gleice Ausdenungsveralten. Anomalie des Wassers Zwiscen 0 und 4 C zeigt Wasser eine Besondereit: Kült man von 4 C ausgeend ab, so dent es sic aus. Erwärmt man es von 4 C ausgeend, so dent es sic ebenfalls aus. Folglic at Wasser bei 4 C seine größte Dicte. Dieses Pänomen bezeicnet man als Anomalie des Wassers. Erkläre mit Hilfe des Teilcenmodells, warum sic ein Körper üblicerweise ausdent, wenn er erwärmt wird. Erkläre, warum ein See im Winter von oben nac unten gefriert und nict von unten nac oben. Die innere Energie des Körpers steigt mit der Temperatur. Gespeicert wird dieser Energiezuwacs durc eine öere mittlere kinetisce und potenzielle Energie der Teilcen. Im Modell: Die Kugeln werden um angeoben (symbolisc für E pot ) und aben bestimmte Gescwindigkeiten, v, v etc. (E kin ), siee Skizze. Eine Bremssceibe, an der Reibungsarbeit verrictet wird, gewinnt innere Energie, sie wird eiß. Fasst man im Winter ein kaltes Stück Metall an, so wird es durc den Wärmestrom von unserer Hand in das Metall inein wärmer. Seine innere Energie steigt an. Ein eißes Kucenblec gibt z.b. über einen Wärmestrom an den Tisc innere Energie ab. Es kült sic ab. Das Ausdenen von Flüssigkeiten bei Erwärmung nutzt man z.b. bei Flüssigkeitstermometern. Die eingesclossene Flüssigkeit dent sic aus und steigt in einem Rörcen oc (vgl. Abb. mit Fiebertermometer). Da die Dicte von Wasser bei 4 C am niedrigsten ist, sinkt Wasser von 4 C sowol in C kaltem Wasser als auc in 8 C kaltem Wasser nac unten.
Grundwissenskatalog zu Pysik 8.Jargangsstufe, Seite 4 von 5 Carl-Friedric Gauß Gymnasium Scwandorf Elektrisce Ladung Q Es gibt positive und negative elektrisce Ladungen. Gleicnamige Ladungen stoßen sic ab, ungleicnamige zieen sic an. Die Eineit der Ladung Q eißt Coulomb = C. Es gibt eine kleinste freie Ladung, die so genannte Elementarladung 9 (,6 0 C ). Jedes Elektron trägt diese Ladung. Elektrisce Stromstärke I Die in einem Leiter errscende elektrisce Stromstärke I ist Q transportierte Ladung pro Zeit, kurz I =. Gleicbedeutend t damit ist Q = I t. Die Eineit von I ist Ampere = A. Die Eineit der Ladung Q ist dementsprecend As = C ( Amperesekunde, As). Elektrisce Spannung U Die Spannung U ist ein Kennzeicen einer elektriscen Quelle und die Ursace für jeden elektriscen Stromfluss. Die Eineit von U ist Volt = V. Spannungen über 0 V können lebensgefärlic sein! Entfernt man eine elektrisce Ladung von einer anderen ungleicnamigen, so muss man längs eines Weges entgegen der elektriscen Anzieung eine Kraft aufwenden, es wird Arbeit verrictet. Der Ladung wird dabei folglic Energie zugefürt, so genannte potenzielle Energie. Die Spannung ist ein Maß für diese potenzielle Energie einer Ladung. Wie viele Elektronen bilden zusammen die Ladungsmenge C? (nenne nur die Zal der Stellen dieser Anzal) Wie lange dauert es, bis bei einer Stromstärke von A die Ladung C an einer Stelle vorbeigeflossen ist? Wie lange kann ein 800 ma - Akku (teoretisc) einen Strom der Stärke 8 ma liefern? Bei ungeladenen Körpern neutralisieren sic die in den Atomen vorandenen negativen Ladungen der Elektronen in der Hülle und positiven Ladungen der Protonen im Atomkern. Einfacstes Beispiel: Das Wasserstoffatom mit einem Elektron in der Hülle und einem Proton als Kern. Die scwac gebundenen Elektronen der Atome eines Leiters können weitergegeben werden und stellen wenn eine elektrisce Spannung als Ursace voranden ist den Stromfluss dar. Ein Akku mit der Aufscrift 800 ma ( Milliamperestunden ) kann eine elektrisce Ladung von,8 A =,8 A. 3 600 s 0 000 As freisetzen. Entfernt man eine mit Q positiv geladene Metallplatte von einer negativ geladenen, so steigt die Spannung U zwiscen den Platten an, da die Ladung potenzielle Energie gewinnt (siee Foto des Exp.). Elektriscer Widerstand R und Omsces Gesetz Fließt durc einen Leiter bei einer Spannung U ein Strom der U Stärke I, so at der Leiter den Widerstand R =. Die Eineit I von R ist Om = = V/A. Der elektrisce Widerstand ist bei den meisten Stoffen von der Temperatur abängig. Bleibt der Widerstand eines Leiters mit steigender Spannung konstant, z.b. wenn ein metalliscer Leiter dabei gekült wird, so sind U und I proportional zueinander. Diesen Zusammenang bezeicnet man als Omsces Gesetz bzw. den Leiter dann als omsc: R = const. U/I = const. U ~ I Leiter ist omsc Was verstet man unter dem Omscen Gesetz? Ist eine Glübirne ein omscer Leiter? Scaltplan zur Messung der U-I-Kennlinie (links) und Kennlinie eines omscen Widerstands (rects). Man kann seinen Wert direkt aus dem U 5 V Diagramm berecnen: R = = = 50 Ω. I 0, A
Grundwissenskatalog zu Pysik 8.Jargangsstufe, Seite 5 von 5 Carl-Friedric Gauß Gymnasium Scwandorf Parallelscaltung zweier Widerstände U, I und R bei Parallel- und Reienscaltung Für den einfacsten a) Parallelscaltung Fall, dass zwei Spannung: An jedem Zweig liegt die gleice Spannung U an. Welcen Gesamtwiderstand at die gleice Es gilt: U = U = U. Parallelscaltung aus zwei 50 - Widerstände Stromstärke: Der Gesamtstrom I teilt sic in die Teilströme I, I Widerständen? Begründe deine parallel gescaltet der einzelnen Zweige auf. Es gilt: I = I + I Antwort anscaulic. werden, also R = Widerstand: Für den Gesamtwiderstand R (= Ersatzwiderstand) R ist, gilt: einer Parallelscaltung von zwei Widerständen R, R gilt: R R R ges = = = + R ges R R b) Reienscaltung Spannung: An den Widerständen R, R misst man die Spannungen U und U. Für die Gesamtspannung U = U ges gilt: U = U + U. Stromstärke: An jeder Stelle des Stromkreises ist I gleic, d.. I = I = I. Widerstand: Der Gesamtwiderstand R = R ges ist die Summe der Einzelwiderstände: R = R + R. Wie scaltet man ein Stromstärke- Messinstrument in den Stromkreis, wie ein Spannungsmessinstrument? Reienscaltung zweier Widerstände Man sagt: An R und R fallen die Spannungen U und U ab. Elektrisce Energie E el Wird bei einer Spannung U die Ladung Q transportiert, so wird damit eine elektrisce Energie E el übertragen. Es gilt: E el = U Q bzw. E el = U I t. Die Eineit von E el ist wie bei jeder Energieform Joule = J. Es gilt zusätzlic: J = VAs. Wie kann man sic mit den elektriscen Größen die Energieeineit Joule vorstellen? Energieeineit Kilowattstunde kw ( Kilowattstunde ) ist eine größere Eineit für die elektrisce Energie: kw = 3 600 000 VAs Elektrisce Leistung P el Die elektrisce Leistung P el ist der Quotient aus übertragener elektriscer Energie und Zeit: E el Pel = = U I. Die Eineit der elektriscen Leistung ist t Watt = W = VA. Wie kann man sic mit den elektriscen Größen die Leistungseineit Watt vorstellen? Elektrisce Leistung eines Föns Ein Gerät, das mit der Netzspannung von 30 V betrieben wird und eine Stromstärke von 4, A verursact, at eine Leistung von P = U I = 30 V 4,4 A = 0 W,0 kw ( Kilowatt ) el