Impulse Physik 7,8 Lösungen

8/21/2019 Impulse Physik 7,8 Lsungen

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Impulse Physik 7/8

Lsungen zum Schlerband

Neubearbeitungvon

Wilhelm BredthauerKlaus Gerd BrunsManfred GroteHarald Khncke

Ernst Klett VerlagStuttgart Leipzig


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1. Auflage, 2008

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschtzt. Die Vervielfltigung der Vorlagenfr den eigenen Unterrichtsgebrauch ist gestattet; die Kopiergebhren sind abgegolten.Jede Nutzung in anderen als dem zuvor beschriebenen Fall bedarf der vorherigen schriftlichenEinwilligung des Verlages.

Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2008.Alle Rechte vorbehalten.Internetadresse: http://www.klett.de

ISBN: 978-3-12-772448-?


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Inhaltsverzeichnis

Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Gesetze des Stromkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Zusammenwirken von Krften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35


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4 Energie

Energie

A1

Anmerkung: Spezifische Energiebegriffe stehen zu diesem Zeitpunkt noch nicht zur Verfgung.Der Kontakt mit der Umwelt wird hier nicht bercksichtigt.

A2 Beispielhafte Stichworte: Elektrischer Wecker (wecken), Licht (sehen), Radio (sich unterhaltenund informieren), Toaster, Wasserkocher, Eierkocher (Speisen bereiten), Khlschrank (Speisenaufbewahren), Heizung (steuern und regeln), usw.

Verzicht kaum vorstellbar.

A1

A2

A1

Aufgaben S. 11

Aufgaben S. 12

Aufgaben S. 13

Elektromotor

dreht sich.Energiewird aufge-nommenund abge-geben.

Energiegehtber

Generator


Energiegehtber

Turbine


Energiegehtber

Wasser im

Stauseefliet ab.Energiewird abge-geben.

Holzstck

wird verformtund erwrmtsich.Energiewird aufge-nommen.

Energiegehtber

Bohrer

dreht sich,erwrmt sich.Energie wirdaufgenom-men undabgegeben.

Energiegehtber

Energiewandler

Lampe

Energie deselektrischenStromes

Energie desSonnen-lichtes

Energiewandler

Solarzelle

Energie desSonnen-lichtes

Energie deselektrischenStromes

Energiewandler

Gummiband

Energie desgespanntenGummis

Energie desbewegtenWagens

Energiewandler

Wasserfall

EH EB

Energiewandler

Rammbock

EB ES


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Energie 5

A1 Einschtzung des Plakates individuell. Anforderungen i. W. erfllt, wenn berschrift eingefgt.berschrift: 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 hher gelegenen Bereichenfliet es ab ins Meer mit der Verdunstung beginnt der Kreislauf erneut.

A2 Individuelle Schlerlsungen


A4 Weil Kohle und l aus Pflanzen bzw. Tieren entstehen, die Sonnenlicht zum Leben bentigen,ist die Argumentation nicht tragfhig und die Sonne erweist sich in der Tat als wichtigste Energie-quelle.

A1 In den Wandler hineinfhrender Pfeil und herausfhrender Pfeil sind gleich breit.

A2 Auch bei leuchtender Lampe bewegt sich das Gewichtsstck, wenn auch langsam. Am Aus-gang sind also zwei Pfeile notwendig, einer fr ELichtund einer fr EB. Sie sind zusammen so breitwie der Eingangspfeil EH. Weil man an ELichtinteressiert ist, sollt EBso klein wie mglich sein.

A1 a)Doppelte Hhe beim gleichen Ring bzw. gleiche Hhe bei zwei Ringen weisen auf doppelteHhenenergie hin. Entsprechend liegt die doppelte Spannenergie vor.b)Aus dem Vergleich mit der Tafel Schokolade folgt: Die Hhenenergie und entsprechend dieSpannenergie betrgt 1 J.


A1 a)Alle Werte beziehen sich auf 100 g

Landbrot 867 kJ Schlagsahne 1 207 kJ

Weichkse, 10 % Fett 761 kJ Msli 1 420 kJ

Joghurt 0,1 % Fett 371 kJ Steaksauce 505 kJ

Margarine 2 780 kJ Milch 1,5 % Fett 199 kJ

Marmelade 750 kJ Speisel 3 405 kJ

b)Eine Scheibe Brot: ca. 45 g, 1 Teelffel Butter: ca. 5 g, eine Scheibe Kse: ca. 30 g. Dementspre-chend ergibt sich mit Tabelle B3 auf Seite 18 des Schlerbuches: E= 405 kJ + 155 kJ + 90 kJ = 650 kJ

Aufgaben S. 13

Aufgaben S. 14

Aufgaben S. 15

Aufgaben S. 16

Aufgaben S. 17

Aufgaben S. 18

Energiewandler

Bogen

ES EB

Energiewandler

Bremsscheibe

EB Einnere

Energiewandler

BatterieEch Eel

Energiewandler

PflanzenblattELicht Ech

Energiewandler

Rakete

Ech EH

Energiewandler

Kernkraftwerk

EKern Einnere


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6 Energie

c)Ein 100-g-Schnitzel hat eine Energie von 1000 kJ (Schlerbuch, S.18 B3). Fr eine Minute Joggenbentigt man 50 kJ (Schlerbuch, S.18 B5). Man kann also 20 Minuten joggen.

A2 Die Energie muss vom Krper bereit gestellt werden. Offenbar ist empfundene Anstrengungnicht alleine von der Energie abhngig, sondern auch von der Zeit, innerhalb der sie bereitgestelltwerden muss.

A1 Bei einem Stundenlohn von 8 entsprechen 10 Energiediener nach Schlerbuch, S.19 B480

/h. Bei einer Programmdauer von etwa 1,5 h ergibt das 120 fr eine Wsche. Bei 18 ct/kwh unddem Bedarf von 0,85 kWh ergibt sich 15,3 ct fr eine Wsche.

A2 Die Angabe bedeutet, dass 45 kJ zur Verfgung stehen, wenn 1 g Benzin verbrannt wird. DieZeit fr einen Energiediener ergibt sich aus

45 000 J

_

60J

_

s= 750 s = 12,5 min.

A1 Fahrenheitskala: unterer Fixpunkt: Kltemischung (Eis, Wasser, Salmiak): 0 Foberer Fixpunkt: Krpertemperatur Mensch: 96 FReaumur: Fixpunkte wie Celsius, aber oberer Fispunkt 80 Reaumur

A1 Im Schlerband, S. 23, B2wird deutlich, dass von einem Krper mit hoher Temperatur solangeEnergie auf einen Krper mit niedriger Temperatur bergeht, bis beide die gleiche Temperaturhaben. In B5hat das Metallstck eine hhere Temperatur als das umgebende Wasser. Es gibtdeswegen Energie ab, die Pfeile zeigen es an. In B6haben Metall und umgebendes Wasser diegleich Temperatur, es findet keine Energiebertragung mehr statt.

A2 Auf der Seite wird erlutert, dass sich gleiche Mengen verschiedener Stoffe bei gleicher Ener-giezufuhr unterschiedlich erwrmen. Dieser Fall liegt hier vor. B3zeigt, dass Wasser im Vergleichzu anderen Stoffen viel Energie braucht, um seine Temperatur um ein Grad zu steigern. Bei glei-cher Energiezufuhr ist deswegen die Temperatur von Sand sehr viel mehr gestiegen als die vonWasser.

A1

A1

Begrndung: Offenbar wandeln beide Lampen unterschiedliche Anteile der zugefhrten elek-trischen Energie in Lichtenergie um. Man kann das fhlen, denn die Glhlampe wird im Betriebsehr hei. D. h. neben Lichtenergie wird elektrische Energie in innere Energie umgewandelt. Frdie gleiche Lichtenergie muss deswegen mehr elektrische Energie aufgewandt werden.

Aufgaben S. 18

Aufgaben S. 19

Aufgaben S. 21

Aufgaben S. 23

Aufgaben S. 24

Aufgaben S. 25

GehobenesGewichts-stck

Hhenenergiewirdabgegeben

EH Generator Eel Lampe ELicht

EHGewichts-stck

EB

Energie-wandler

Glhlampe

Eel

ELicht

Einnere

Energie-wandler

Energie-sparlampe

EelELicht

Einnere


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Energie 7

A1 Schlerband, S. 26 B3zeigt, wie beim Jo-Jo Hhenenergie in Bewegungsenergie und diesewieder in Hhenenergie umgewandelt wird. Wenn dabei keine andere Energieform auftritt, kannder Prozess ohne Ende weiter gehen. Energie wird nicht entwertet.B4zeigt, dass Hhenenergie vollstndig in innere Energie umgewandelt wird. Diese kann nureingeschrnkt 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 einTeil der Energie in innere Energie umgewandelt wird, die fr den weiteren Prozess nicht mehr

verfgbar ist.

A2 Die Behauptung ist richtig:Es wrden folgende Energieumwandlungen stattfinden:Von links nach rechts: ES EB EHVon rechts nach links: EH EB ES

B1 Es geht hier um Energieentwertung, also Umwandlung in innere Energie, die Bei Umgebungs-temperatur vorliegt.

B2 Hhenenergiedes Wassers Bewegungsenergie des Wassers (und innere Energie); Bewe-gungsenergie der Hochspringerin Spannenergie des Stabes Hhenenergie der Hochsprin-

gerin (und innere Energie); Bewegungsenergie der Luft Bewegungsenergie des Windrades/Generators elektrische Energie (und innere Energie); Hhenenergie der Schaukel Bewe-gungsenergie der Schaukel Hhenenergie der Schaukel (und innere Energie) beimreinen Ausschaukeln bzw. chemische Energie der Nahrung Bewegungsenergie der Muskeln Bewegungsenergie der Schaukel (und innere Energie) beim aktiven Schaukeln

B3

B4 Widerspruch zum Prinzip der Energieerhaltung

B5 Beide Lampen leuchten gleich hell, d.h. der Anteil der Lichtenergie ist gleich. Die Glhlampewird dabei aber deutlich wrmer; sie wandelt also mehr elektrische Energie in innere Energie um.

1 Die schiefe Ebene Das Spielzeugauto luft auf der horizontalen Unterlage aus und bleibtschlielich stehen, weil die Bewegungsenergie des Autos in innere Energie (des Autos, der Luft,der Unterlage) umgewandelt wird. Die Bewegungsenergie erhlt das Auto durch Umwandlungvon Hhenenergie. Je hher die Rampe ist, desto mehr Hhenenergie hat das Auto am Start unddesto mehr Bewegungsenergie hat das Auto am Fu der Rampe, und desto mehr muss in innereEnergie umgewandelt werden bis das Auto steht. Also: je hher die Rampe, desto weiter rollt das

Auto.

2 Die Linealschleuder

Aufgaben S. 26

Aufgaben S. 27

Rckblick S. 28

Heimversuche S. 29

TurbineEHStausee EB Generator Eel Lampe

ELicht

Einnere

Radiergummi

nimmtEnergie auf

ES

Lineal

gibtEnergie ab

EB

Radiergummi

wandeltEnergie um

EH

Radiergummi

gibtEnergie ab

Einnere

Umgebung

nimmtEnergie auf

Linealentspannt sich

Radiergummisteigt auf

Radiergummifllt wieder

Radiergummischlgt auf


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8 Energie

Energieformen

1 Aufgestautes Wasser treibt Turbinen, hochgezogene Massenstcke treiben Pendel und Zeigereiner Uhr, ein gehobener Rammbock treibt Pfhle in die Erde.

2 Mit einer gespannten Feder kann man etwas bewegen (Spielzeugauto) oder hochheben (Tram-polin).

3 In der gespannten Feder steckt Spannenergie; beim Entspannen nimmt diese ab und wird z. T.auf den Krper des Frosches bertragen und dabei in Bewegungsenergie umgewandelt. Da derKrper gleichzeitig gehoben wird, erfolgt auch Umwandlung in Hhenenergie. Im dritten Bilderkennt man, dass auch die Feder und der Fu gehoben werden. Die Umwandlung der Bewe-gungsenergie erfolgt nun direkt in Hhenenergie. Im hchsten Punkt ist die gesamte Spannener-gie (zum Teil direkt, zum Teil ber den Umweg Bewegungsenergie) in Hhenenergie umgewan-delt.

4 Herr Sparfuchs hat recht, wenn er vom Prinzip der Energieerhaltung spricht. Wenn er Energienutzt, wird sie nur umgewandelt, z. B. wenn er mit einem Fahrstuhl einige Stockwerke hoch fhrt.Diese Hhenenergie steht aber dem Lieferanten der elektrischen Energie nicht zur Verfgung.Auerdem wird bei den allermeisten Nutzungen Energie entwertet, weil ein Teil in innere Energieumgewandelt wird. Schlielich muss ein Energieversorgungsunternehmen auch die Vorrichtungenzur Energienutzung bereithalten, z. B. die Versorgungsleitungen fr elektrische Energie. Herr Spar-fuchs muss also zahlen.

5 Die Energie der Sonne wird in mehreren Schritten in Bewegungsenergie der Luft umgewan-delt. Zunchst wird die Energie des Sonnenlichtes in den Solarzellen in elektrische Energie umge-wandelt. Die elektrische Energie treibt den Elektromotor bzw. die Achse mit dem Propeller an. DerElektromotor wandelt also elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Der Propeller erzeugteinen Luftstrom, bertrgt also die Bewegungsenergie von der Achse auf die Luft.

6 Diagramm 1 beschreibt eher die bertragung der Energie von der Quelle auf die Lampe.Diagramm 2 beschreibt eher den Umwandlungsprozess, z. B. in der Lampe von elektrischerEnergie in Lichtenergie.

Aufgaben S. 29

Aufgaben S. 30

ES EB EH ES EB EH ES EB EH

Batterie LampeElektrische

Energie

Energiebertragung


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Energie 9

7 a) Im Zhler steht immer die Einheit kJ fr Energie, im Nenner die Einheit einer Gre, die eine

Menge des jeweiligen Stoffes beschreibt. Die Mazahl gibt die Energie an, die bei Verbrennungjeweils einer Mengeneinheit zur Verfgung steht.b) Man braucht 0,012 kg Steinkohle, 0,023 kg Brennholz, 0,010 Heizl, 0,011 m3Erdgas.

8 Energiestromdiagramm:

9 a)Es wird genau so viel Energie zugefhrt wie abgefhrt, die Temperatur des Krpers ndertsich nicht.b)Es wird mehr Energie zugefhrt als abgefhrt. Die Temperatur des Krpers steigt.c)Es wird mehr Energie abgefhrt als zugefhrt. Die Temperatur des Krpers fllt.Bei der Deutung wurde die Pfeilbreite als Energie pro Zeit interpretiert.

10

Man kann mit der Energiesparlampe sparen, weil ein grerer Teil der elektrischen Energie inLichtenergie umgewandelt wird. D. h., fr einen bestimmten Bedarf an Lichtenergie wird wenigerelektrische Energie bentigt.

11 Beispiele zur Umschreibung von Hhenenergie: Tritt bei der Achterbahn auf und ist maximal,

wenn der Wagen am langsamsten ist; wird genutzt, wenn Wasser aus einem Stausee eine Turbinebetreibt, die wiederum einen Generator antreibt, der schlielich Energie als elektrische Energiebereitstellt.

12 Helle Gebiete sind beispielsweise die sdliche Hlfte von England, die Niederlande, Belgien,das Ruhrgebiet, die Poebene, Paris, Berlin, Madrid, Rom und Neapel, Athen; also v. a. Ballungsru-me, Industriezentren und Grostdte mit ihrer konzentrierten nchtlichen Beleuchtung. In Ln-dern wie Belgien sind zustzlich die Autobahnen beleuchtet. Erleuchtet sind auch touristischgeprgte Kstenstreifen oder sog. Offshore-Anlagen in der offenen See (Bohrinseln usw.)Die dunklen Gebiete sind dnn besiedelt oder haben eine geringe Infrastruktur

Aufgaben S. 30

A B C D E

A E

B D

C

hmaximal

v= 0h= 0

vmaximal

Energie-wandler

Glhlampe

Eel

ELicht

Einnere

Energie-wandler

Energie-sparlampe

EelELicht

Einnere

BatterieEch Eel

Energieumwandlung

LampeEel ELicht

Energieumwandlung


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10 Elektrischer Strom

Elektrischer Strom

A1

A1 Laufraddynamo: Der Laufraddynamo ist mit seinem Gehuse leitend mit dem Rahmen desFahrrades verbunden. Eine leitende Verbindung besteht auch vom Gewinde der Glhlampen desScheinwerfers und des Rcklichts ber die Lampensockel zum Fahrradrahmen. Damit bestehtbereits eine Leitung vom Dynamo zu den beiden Lampen. Es gengt je ein Kabel von der Kontakt-schraube am Dynamo zum Fukontakt der beiden Glhlampen, um die beiden Stromkreise zuschlieen.

Nabendynamo: Der Nabendynamo ist nicht leitend mit dem Fahrradrahmen verbunden. Von ihmfhrt daher eine Doppelleitung zum Scheinwerfer und von dort eine Doppelleitung zum Rcklicht.Mit einem Schalter am Scheinwerfer wird der Stromkreis geschlossen.

A1

A1

Station V: Die Solarzelle

Gerte: Solarmodul mit einer Nennspannung von 2V, 2 Kabel, 1 rote Leuchtdiode, 2 Krokodilklem-men1. Schliee die Leuchtdiode ber die beiden Kabel und die Krokodilklemmen an die Kontakte desSolarmoduls an.2. Richte das Solarmodul zur Sonne. Vertausche gegebenenfalls die Polung der Leuchtdiode.3. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energiebertragung.

Vorschlag fr weitere Lernstation:

Station VI: Das Peltiermodul

Gerte: Peltiermodul mit 2 Aluminimwrfeln, 2 Kabel, Elektromotor mit Ventilator, Becherglas mitheiem Wasser, 2 Thermometer1. Lege ein Peltiermodul auf einen Aluminiumwrfel und miss seine Temperatur. Erhitze einenzweiten Aluminiumwrfel in einem Wasserbad auf eine Temperatur von etwa 50 C.2. Schliee einen Elektromotor mit Propeller an das Modul an.3. Setze den erhitzten Aluminiumwrfel auf das Modul auf4. Zeichne den Stromkreis und beschreibe die Energiebertragung.

Aufgaben S. 34

Aufgaben S. 36

Aufgaben S. 37

Aufgaben S. 38

Energie-wandler

Glhlampe

Eel

ELicht

Einnere

Energie-wandler

Generator

EH

G GLaufrad-dynamo

Schein-werfer-lampe

Rck-licht

Naben-dynamo

Schein-werfer-lampe

Rck-licht


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Elektrischer Strom 11

A1 Bewegungsenergie des Fahrrades wird im Dynamo in elektrische Energie umgewandelt. Chemische Energie der Kohle erhht die innere Energie des Wassers. Diese wird in Bewegungs-energie des Wasserdampfes gewandelt und auf die Turbine bertragen. Die Turbine bertrgt dieBewegungsenergie auf den Generator, der sie in elektrische Energie umwandelt. Bewegungsenergie der Luft wird ber Windrag und Generator in elektrische Energie umgewan-delt.

A2 a)Bei offenen Anschlssen muss wenig Energie aufgewendet werden, die Bewegungsenergie

beim Kurbeln wird lediglich in innere Energie des Generator mit Kurbel umgewandelt.b)Bei angeschlossener Glhlampe muss aus der Bewegungsenergie beim Kurbeln zustzlichnoch Energie des Lichts und innere Energie der Glhlampe bereitgestellt werden. Das erfordertmehr Energie als bei offenen Anschlssen, vermutlich wird die Person deshalb langsamer kurbelnoder nach kurzer Zeit aufhren zu kurbeln.

A1

Gerte: Netzgert, 2 Kabel, Glasgef, 1 Stativ, 2 Stativklemmen, 2 StativmuffenChemikalien: Silberblech, Lffel aus unedlem Metall, Silbernitrt-Lsung (10 %)Durchfhrung: Der Versuch wird nach der unten abgebildeten Skizze aufgebaut. Man gibt dieSilbernitrat-Lsung in das Glasgef. Mithilfe der Stativklemmen werden die Elektroden befe-stigt, so dass sie in die Lsung eintauchen. Das Silberblech wird als Anode, der Lffel als Kathodegeschaltet. Die angelegte Spannung betrgt etwa 2 Volt.

Prinzipskizze

A2

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 grer, je strker der Strom ist.Der Quotient V/t ist daher ein Ma fr die Stromstrke.

Aufgaben S. 39

Aufgaben S. 41

Ag

Kathode

zu ver-silbernderGegenstand

Silber-nitrat-lsung

Anode(Silber)

AgAg+

Chemische Wirkung Magnetische Wirkung WrmewirkungSchaltung


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Magnetische Wirkung: In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die magnetische Wirkung konstant, d. h., derDrehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist konstant Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist umso grer, je strker der Strom ist.Der Drehwinkel der Spule gegen die Federkraft ist daher ein Ma fr die Stromstrke.Wrmewirkung:

In einem Stromkreis mit konstantem Strom ist die Temperaturerhhung eines metallischenLeiters konstant.

Die Temperaturerhhung ist umso grer, je strker der Strom ist.Die Temperaturerhhung (genauer die thermische Ausdehnung) eines metallischen Leiters istdaher ein Ma fr die Stromstrke.

A1 Reibt man verschiedene schlecht leitende Stoffe aneinander, so trennt man elektrische La-dung. Ein Beispiel dafr ist das Gehen in Schuhen mit Gummisohlen auf Teppichboden. In tro-ckener Luft, die in Hochdruckwetterlagen auftritt, bleibt die getrennte Ladung bestehen. BeimBerhren der Trklinke sprt man dann die unangenehme Entladung des Krpers.

A2 Bei Berhrung der Experimentierkugel mit einem Pol der elektrische Quelle besteht Strom,elektrische Ladung hat sich vom Pol zur Kugel bewegt. Die Glimmlampe, die anschlieend von derKugel berhrt wird, zeigt die von der Kugel abflieende Ladung an, denn sie leuchtet auf. Es hatsich Ladung von einem Pol der elektrischen Quelle ber die Glimmlampe zum anderen Pol be-

wegt. Der unterbrochene Stromkreis kann mit der bewegten Experimentierkugel kurzzeitig ge-schlossen werden.

A1 Vor dem Reiben des Kunststoffstabes an einem Tuch enthalten sowohl Stab als auch Tuchgleich viele Elektronen wie positive Ladung. Beim Reiben bewegen sich Elektronen aus dem Tuchauf die Oberflche des Stabes. Er ist nun negativ geladen. Das Tuch ist positiv geladen, da Elektro-nen fehlen.

A2 Elektrischer Strom in Metallen bedeutet, dass sich Elektronen im Leiter bewegen. PositiveLadung im Leiter ist ortsfest. Elektronen treten vom Minuspol ber die Klemme in den Leiter einund verlassen ihn ber die zweite Klemme in Richtung Pluspol.

A1

Haushaltsgert Wirkungen

Toaster Vor allem Wrmewirkung

Wasserkocher Wrmewirkung

Glhlampe Licht- und Wrmewirkung

Leuchtstofflampe Licht- und Wrmewirkung

LED Vor allem Lichtwirkung

Mixgert Magnetische Wirkung und Wrmewirkung

Lautsprecher Magnetische Wirkung und Wrmewirkung

Elektrische Zahnbrste Magnetische Wirkung und Wrmewirkung

Rasierapparat Magnetische Wirkung und Wrmewirkung

Fernsehapparat Licht- und Wrmewirkung (bei Rhrengerten auch magnetische Wirkung)

A1 3 A = 3 000 mA; 0,15 A = 150 mA; 0,08 A = 80 mA1 500 mA = 1,5 A; 270 mA = 0,27 A; 50 mA = 0,05 A

Aufgaben S. 41

Aufgaben S. 42

Aufgaben S. 43

Aufgaben S. 46

Aufgaben S. 47


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A1

Motor im (in der) Energiekette

DVD-Laufwerk Elektrische Energie (Elektromotor) Bewegungsenergie und innere EnergieDrucker s. o.Folienschweigert s. o.

Fhn s. o.

Elektrische Zahnbrste s. o.

Rasierapparat s. o.

Uhr s. o.

Kchenmaschine/Mixer s. o.

Waschmaschine s. o.

Geschirrsplmaschine s. o.

A2 es gilt: 1 W min = 60 W s = 60 J

Gert 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 1 800

Rasierapparat 10 W 100 Wmin 6 000Autofernlicht 60 W 600 Wmin 36 000

Farbfernseher 110 W 1 100 Wmin 66 000

Haartrockner 600 W 6 000 Wmin 360 000

Automotor-Anlasser 1 000 W 10 000 Wmin 600 000

Bgeleiesen 1 200 W 12 000 Wmin 720 000

Waschmaschine 3 500 W 35 000 Wmin 2 100 000

Elektroherd, 4 Platten 7 400 W 74 000 Wmin 4 400 000

Elektrolokomotive 7 000 kW 70 000 kWmin 4 200 000 000

ICE, 2 Triebkpfe 9 600 kW 96 000 kWmin 5 760 000 000

Generator im Kraftwerk 70 000 kW 700 000 kWmin 42 000 000 000

B1 Durch das reiben des Pullovers an den Haaren wird Ladung getrennt. Das Knistern zeigt Entla-devorgnge an.

B2 Lichtenergie (Sonne) elektrische Energie (Solarzelle) Bewegungsenergie (Motor)

B3 Durch Reiben wurde die (positiv) Folie geladen. Innerhalb der Haare wird negative Ladung zurFolie hin verschoben. Die Haare werden daher von der Folie angezogen.

B4 Der Strom kommt vom Generator des Kraftwerks ber den Fahrdraht zum Motor des Zuges.ber die Schiene (Erde) wird der Stromkreis zum Generator, der ebenfalls geerdet ist, geschlos-sen.

B5 Das Messgert zeigt einen Strom an, d. h., es liegt ein geschlossener Stromkreis (Batterie Lampe Junge Mdchen Messgert Batterie) vor. Der menschliche Krper ist also ein elek-trischer Leiter.

B6 Die elektrische Leitung wird geschieht durch Transport von Ladung. Der Versuch zeigt: Dieviolette Lsung (Kaliumpermanganat) bewegt sich zum Pluspol, ist also negativ geladen, whrendsich die blaue Lsung (Kupfersulfat) zum Minuspol bewegt, also positiv geladen ist.

Aufgaben S. 49

Rckblick S. 50


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1 Der schwimmende Kompass Die beiden Metalle und die salzlsung bilden eine elektrischeQuelle. Der Strom in der Spule ruft ein Magnetfeld hervor. Das schwimmende Brettchen mit derSpule ist also ein Magent, der sich im Magnetfeld der Erde ausrichtet.Es ist darauf zu achten, dass die Oberflchen der Leiter in der Salzlsung sauber sind. das mitdem nagel verbundene Ende des Kupferdrahtes darf nicht mit der Salzlsung in berhrung kom-men. Statt einer Salzlsung eignet sich auch verdnnte Zitronensure.

2 Das Lametta-Elektroskop Wird der Nagel geladen, so verteilt sich die Ladung ber den Nagel

und die Alufden. Die Alufden sind somit gleichartig geladen und stoen sich gegenseitig ab.

3 Elektrische Energie wird gezhlt Individuelle Schlerlsung

4 Wie viel kostet 1 kW h? Individuelle Schlerlsung

Strom und Energie

1

Elektrische Quelle Elektrische Gerte

Batterie Fahrradlampe; ggf. Ventilator

Dynamo FahrradlampeKraftwerk (Steckdose) Elektroherd, Kchengert, Ventilator

Solarzelle ggf. Ventilator

2 Draht, Kabel oder Metallband von einem Pol der Batterie ber Schalter zum Lampengewinde,durch die Lampe zum Lampensockel und zurck zur Batterie.

3 Bei Fahrrdern mit Laufraddynamo schliet der Fahrradrahmen den Stromkreis.

4 a) Die Ummantelung der Kabel dient Personen als Berhrungsschutz und als Schutz vor Kurz-schluss ber Nachbarkabel bzw. vor schdlichen Umwelteinflssen.b) Berhrungsschutz ist nicht erforderlich. Vor Kurzschluss zwischen den Leitungen schtzen die

Luft und Keramikkrper an den Strommasten.

5 Leitend: Fu und Gewinde der Lampe und der Stnder des Glhdrahts sind dicke Leiter; derGlhdraht ist wesentlich dnner.Nichtleitend: Glashlle, Birnensockel, Kitt und Glasfllung.

6 Durch Nsse steigt die Leitfhigkeit der Haut. Unerwnschte Strme durch den Krper knnenstrker und somit gefhrlicher werden.

Energiebertragung im Stromkreis

7 a) b)

Heimversuche S. 51

Aufgaben S. 52

Steckdose Kchengert

Energie-wandler

Elektromotor

Eel

EB

Einnere


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Wirkungen des elektrischen Stromes

8 a)Chemische Wirkung, Wrmewirkung, magnetische Wirkung, Lichtwirkung sind die Wirkungendes Stroms.b)Ein Galvanisiergert nutzt die chemische Wirkung des Stromes.c)Nutzung der Wrmewirkung: Toaster, elektrischer Durchlauferhitzer, Wasserkocher, Elektroherd,Babyflaschenwrmer,

Strom und Ladung

9 Die geladene CD bt Krfte auf die Ladung der Papierstcke aus. Ist die CD positiv geladen, sowird negative Ladung des Papiers etwas zur CD hin verschoben. Folglich erscheint das Papier ausRichtung der CD wie ein negativ geladenes Papier. Es wird von der CD angezogen, berhrt die CD,ldt sich dabei positiv auf und wird anschlieend abgestoen, weil es nun gleichnamige Ladungtrgt. Das Papier fllt auf den Tisch, entldt sich dabei. Der Vorgang wiederholt sich, bis die CD soweit entladen ist, das seine Anziehungskraft nicht mehr ausreicht, die CD zu heben.

10 Alle drei Stoffe tragen dieselbe Ladungsart.

Elektrische Stromstrke

11 Elektrische Ladung wird erst durch (einheitliche) Bewegung zum elektrischen Strom. (AnalogieLuftWind: Was macht der Wind wenn er nicht weht?)

12 Die Stromstrke , in A gemessen, gibt an, wie viele Elektronen je Sekunde an einem Mess-punkt vorbeiflieen. Jedes Elektron trgt eine sehr geringe elektrische Ladung. Je lnger einStrom besteht, desto mehr Ladung wird transportiert. Die Angabe 50 Ah auf der Batterie bedeutetz. B., dass im Stromkreis mit der Batterie 1 Stunde lang ein Strom von 50 A bestehen kann oder 5Stunden lang eine Strom von 10 Ampere usw. Dabei wird die Ladung 50 Ah transportiert.

13 Gong, Klingel, elektrischer Trffner, Gerte mit Elektromotor (Mixer, Staubsauger, Waschma-

schine), etc.

Elektrische Energie, Energiestromstrke

14 Die Energiestromstrke ergibt sich aus der Energie, die pro Zeiteinheit bertragen oder umge-wandelt wird. In der Technik wird fr die Energiestromstrke der Begriff Leistung verwendet.

15 Die Aussage ist nicht allgemeingltig. Bei gleicher Leistung bzw. gleichem Energiestrom be-steht in verschiedenen Stromkreisen verschiedene Stromstrke, wenn die Spannung in denStromkreisen verschieden ist.

16 Man schliet die Heizspirale an eine elektrische Quelle an. Man misst die Spannung der elek-

trischen Quelle mit einem Voltmeter und den in der Heizspirale umgewandelten Energiestrom miteinem Energiestrommessgert.

17 a) Man bentigt 4,2 kJ = 4 200J, um 1 Wasser um 1 C zu erwrmen,Der Wasserkocher leistet 2 000 W = 2 000 J/s, er bentigt4 200 J

_

2 000J

_

s= 2,1 s, um 1 Wasser um 1 C zu erwrmen.

Betrgt die Temperaturerhhung 80 C, so dauert die Erwrmung auch 80mal so lang,also 2,1 80 s = 168 s, wenn man Energiestrme in die Umgebung vernachlssigen kann.b) Die Aufschrift des Gertes zeigt die Lsung: P= 2 000 W = 2 000 J/s.Insgesamt werden also E= 2000 J/s168 s = 336 kJ = 0,93 kW h umgewandelt.

Aufgaben S. 52


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18 Die Verringerung des Energiestroms betrgt 85 W.Energieeinsparung: Eel= P t= 85 W4 h365 = 124 100 Wh = 124,1 kWhDie Ersparnis betrgt 124,1 kWh0,12 /kWh = 14,89 .

19 Leistungsstarke Gerte bedeutet Gerte hoher elektrischer Leistung, das bedeutet bei vorge-gebener Spannung eine hohe Stromstrke. Wegen des elektrischen Widerstandes der Zuleitungwird elektrische Energie in innere Energie des Zuleitungsmaterials umgewandelt. Das fhrt zueiner Temperaturerhhung der Zuleitung. Durch Abrollen der Leitung kann eine berhitzung

durch fehlende Energieableitung vermieden werden.

Aufgaben S. 52


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Gesetze des Stromkreises 17

Gesetze des Stromkreises

A1

Gert Erforderliche Spannung

Fahrradlampe 6 V Handy 5,3 V

Taschencomputer 6 V

A2 Die Deutsche Bahn betreibt Elektroloks mit einer Spannung von 15 000 V.

A1 Das Auseinanderziehen der entgegengesetzt geladenen Platten erfordert Energie. Die Ener-gie der Ladung nimmt dabei zu, was das hellere Leuchten der LED anzeigt. Beim Veringern desPlattenabstandes nimmt die Energie der Ladung ab, ein weniger helles Aufleuchten der LED ist zubeobachten, wenn der Stromkreis geschlossen wird.

A1

Uin V 1 2 3 4 5 6 7

in V 0,2 0,39 0,61 0,85 1,15 1,45 1,82

Rin 5 5,13 4,92 4,7 4,35 4,14 3,85

A2

Eisendraht in Wasser = 0,36 A/VUKonstantan = 0,12 A/VU

A1 In Wasser bleibt die Temperatur des Eisendrahts bei Strom unterschiedlicher Strke konstant.Daher verndert sich der Widerstand des Drahtes nicht. Stromstrke und Spannung sind unterdiesen Bedingungen proportional zueinander, das Ohmsche Gesetz gilt.

A1 =U / (R1+ R2) = 10 V / (100 + 200 ) = 0,033 A = 33 mA

A1

A1 Die Gerte werden durch die Schmelzsicherung (Hauptsicherungskasten) und die Wohnungs-sicherungen geschtzt.

A2 Die Gerte knnen bei Parallelschaltung unabhngig einund ausgeschaltet werden. BeiParallelschaltung werden alle Gerte mit gleicher Spannung versorgt. Damit ist ein beliebigesAustauschen von Haushaltsgerten mglich.

Aufgaben S. 54

Aufgaben S. 56

Aufgaben S. 58

Aufgaben S. 59

Aufgaben S. 63

Aufgaben S. 65

Aufgaben S. 66


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18 Gesetze des Stromkreises

B1 Es handelt sich um ein Vielfachmessgert, also u. a. die Spannung, die Stromstrke und derWiderstand, d. h. als Volt-, Ampere- und Ohmmeter.

B2 Da, wo der Fu des Vogels den Draht berhrt, verzweigt sich zwar der Stromkreis, aber dieStromstrke im Vogel ist bei weitem geringer als im Draht: DrahthVogel, sodass keine Gefahr frden Vogel besteht.

B3 Offensichtlich sind die Energiestromstrken in beiden Lampen gleich. Da die elektrische Ener-

gie bzw. die Energiestromstrke auch von der angelegten Spannung abhngt, kann man schlie-en, dass in den beiden Stromkreisen neben den unterschiedlichen Stromstrken auch unter-schiedliche Spannungen vorliegen.

B4 Die pfel sind in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Spannungen addieren.

B5 Oben: Reihenschaltung. Die Gesamtspannung betrgt 3 1,5 V = 4,5 V. Unten: Parallelschaltung.Die Gesamtspannung betrgt 1,5 V.

B6 Widerstnde. Die Farbringe geben an, welchen Widerstandswert die einzelenen Bauteilehaben.

1 Der sanfte Lichtschalter Schiebewiderstand und Glhlampe bilden eine Reihenschaltung. Mitdiesem Spannungsteiler kann die Spannung fr das Glhlmpchen reguliert werden.

2 Ein Feuermelder Wird der Eisendraht erhitzt, so nimmt sein Widerstand zu und das Lmpchenwird dunkler.

3 Ein elektrischer Kraftmesser Durch den unterschiedlichen Druck auf die Schachtel ndert sichdie Packungsdichte und damit die Berhrungsflchen der Kohlekrnchen. Dadurch wirkt dieSchachtel als druckabhngiger, vernderlicher Widerstand. Gegebenenfalss kann auf Parallelenzum Kohlekrnermikrofon hingewiesen werden.

Spannung

1 Das Spannungsmessgert muss parallel zu den beiden Messpunkten geschaltet werden.

2 a) gleichsinnig: 1,5 V + 1,5 V = 3 Vb) 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 fhrt zur Entladung der 9,0-V-Batterie ber 1,5-V-Batterie.

Widerstand und Kennlinie

4 Der Widerstand des Leiters sagt etwas ber den elektrischen Strom aus, der dann besteht,wenn eine bestimmte Spannung anliegt.Entsteht in einem Leiter bei der Spannung U die Stromstrke , dann heit der Quotient U/Widerstand R.

5 * = 2U/2R= U/R= ; die Stromstrke bleibt unverndert.

Rckblick S. 68

Heimversuche S. 69

Aufgaben S. 69

Aufgaben S. 70


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Gesetze des Stromkreises 19

6 a) Schaltung mit einem Messgert fr dieSpannung parallel zum Leiter und einem Mess-gert fr die Stromstrke in Reihe. Spannungvariieren, Uund mehrfach messen und je-weils R= U/berechnen. Mittelwert berechnen.b) Wie in Teilaufgabe amit groen Unterschie-den bei Uund . Bleibt R= U/konstant, so giltin dem untersuchten Bereich das Ohmsche

Gesetz.

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 beietwa 1,6 V.d) Zugehrige Widerstandswerte in : 6,7; 10,0;12; 14; 16; 17.-R-Diagramm bis 0,25 A fast linear steigendmit ca. 65/A, dann deutlich abflachend.Der Widerstand kann bis 0,15 A nicht angege-ben werden.

8 a) = U/R= 230 V / 3 000= 0,077 A = 77 mA (trocken: 7,7 mA)b) U= R= 3 000 0,001 A = 3 VHinweis: In der Praxis gelten Spannungen bis rund 30 V als ungefhrlich. Erst oberhalb diesesWertes mssen alle Leitungen berhrungssicher sein.

9

Uin V 20 35 91 45

in A 0,29 0,50 1,3 0,64

Parallel- und Reihenschaltung

10 a) Reihenschaltung: Unterbricht man bei einem Gert, arbeiten die anderen auch nicht mehr.Parallelschaltung: Die Gerte funktionieren weiter, wenn man eines abschaltet.b) Reihenschaltung: Stromstrke berall gleich 1= 2= = gParallelschaltung: Einzelstromstrken addieren sich zur Gesamtstromstrke 1+ 2+ = g

11 a) Lampe= g/25= 2,5 A / 25 = 0,1Ab) Lampe= g/xx= g/ Lampe= 40. Es knnen 15 gleiche Lampen hinzugeschaltet werden.

12 Der Widerstand R1 hat den kleinsten Wertder drei Bauteile. Viermal so gro ist der Wi-derstand R3 . Der Widerstand R2 ist ein Dritteldes Widerstands R3 .

Aufgaben S. 70

R1

1

R2

2

R3

3

U

10 2 3 4 5 6

Uin V

0,4

0,3

0,2

0

0,1

in A


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20 Gesetze des Stromkreises

13 a) Stromstrkemessgerte werden in Reihe geschaltet. Dabei addieren sich die Widerstnde.Um den Einfluss des Messgertes mglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Stromstr-kemessgertes mglichst klein sein.b) Spannungsmessgerte werden parallel geschaltet. Dadurch besteht im Messgert ein zustz-licher Strom. Um diesen unerwnschten Strom mglichst klein zu halten, sollte der Widerstanddes Spannungsmessgertes mglichst gro sein.

14 Die Gerte sind parallel geschaltet, damit man sie unabhngig voneinander in Betrieb neh-

men kann. Wren alle Elektrogerte im Haushalt in Reihe geschaltet, knnte man sie nicht unab-hngig voneinander in Betrieb nehmen. Wrde man eines ausschalten, gingen alle aus! Um eineszu betreiben, msste man alle einschalten!

15 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen fr Ugund genthalten.

In der Parallelschaltung gilt:Ug= U1= U2 g= 1+ 2 (Knotenregel) Pg= P1+ P2

16 Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen fr Ugund genthalten.

In der Reihenschaltung gilt:Ug= U1+ U2 RErsatz= R1+ R2 g= 1= 2(Knotenregel) Pg= P1+ P2

17 Wenn das Bgeleisen kalt ist, hlt die Rckholfeder den Schalter geschlossen. Der Stromkreis

kann durch die Heizwendel ist geschlossen und das Bgeleisen wird hei. Dadurch biegt sich derBimetallstreifen nach unten, ffnet den Schalter und der Strom wird unterbrochen. Das Bgelei-sen khlt sich ab, der Bimetallstreifen biegt sich zurck und der Schalter wird wieder geschlossen.Das Bgeleisen wird wieder hei, und so weiter.

18 In der Reihenschaltung ist die Stromstrke in beiden Widerstnden gleichen: g= 1= 2. DieSpannung U2= gR2am Widerstand R2ist doppelt so gro wie am Widerstand R1(R2=200 und R1= 100 ). Da sich in der Reihenschaltung der Energiestrom wie die Spannung auf die Wider-stnde verteilt, ist die Energiestromstrke zum Widerstand R2doppelt so gro wie derjenige zumWiderstand R1.

Aufgaben S. 70

U1

1 2

g

Ug

R1 R2

U2

g

R2

2

U2

R1

1

U1

Ug


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Elektrische Energie 21

Elektrische Energie

A1 Bentigte Gerte: Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse.Man bewegt den vor der Spule befindlichen Stabmagneten hin und her bzw. man dreht den vorder Spulen stehenden Stabmagneten und misst mithilfe eines Voltmeters die Spannung an den

Enden der Spule. Es entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz derjenigen der Pendelbewe-gung bzw. der Drehfrequenz des Stabmagneten entspricht.Alternativ kann auch die Spule bewegt bzw. gedreht werden und der Stabmagnet fest stehen.

A2 Bentigte Gerte: 2 Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer AchseMglichkeit 1: Siehe Aufgabe A1 Alternative.Mglichkeit 2: Anstelle des Stabmagneten wird eine stromfhrende Spule verwendet.

A3 Man ersetzt die Ringe an den Schleifkontakten durch einen Ring mit zwei getrennten Hlften.Jede Ringhlfte wird mit einem Ende der Spule verltet. ber die Achse verbunden, drehen sichdie Kommutator genannten Ringhlften mit der Spule mit. Die Schleifkontakte mssen sich gera-

de in dem Moment auf den Isolierungen befinden, in dem die Pole des Ankers den Polen desFeldmagneten gegenberstehen. So ist gewhrleistet, dass die Ankerspule bei ihrer Weiterdre-hung umgepolt wird. Das Ankerspulenende das sich vom Nordpol der Feldspule wegbewegt, iststets mit dem gleichen elektrischen Pol verbunden.

A1 a)Es ergibt sich ungefhr die eingezeichnete Position des Leuchtpunktes.b)Die vertikalen Platten sind beide negativ, so dass der Strahl weder nach oben noch nach untenabgelenkt wird. Die Ladung der beiden horizontalen Platten bewirkt eine Ablenkung nach linksaus Sicht eines Beobachters von vorn.

Aufgaben S. 72

Aufgaben S. 74

a) b)


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22 Elektrische Energie

A1 Die Drehgeschwindigkeit, die die rote Zeit-Spannungskurve bewirkt, ist gerade doppelt sogro wie die Vergleichsgeschwindigkeit, dargestellt durch die blaue Kurve.

A1 smtliche Gerte im Haushalt, deren Betriebsspannung unterhalb der Netzspannung von230 V liegt, z. B. Akku-Ladegerte, Laptops, Drucker, Scanner, Halogen-Niedervoltlampen mit 12 VBetriebsspannung (erffnet die Mglichkeit offener Leitungen) viele Gerte haben dazu integrierte Transformatoren

Trenntrafos gegen Brummschleifen beim Anschluss von Computern an Stereoanlagen F-Schutzschalter Hochspannungs-berlandleitungen mit hochtransformierter bertragsunsspannung

A1 Die bertragungsverluste in Fernleitungen kann man dadurch klein halten, dass man Hoch-spannung verwendet. Beim Hochtransformieren der Spannung am Generator verkleinert sich diezugehrige Stromstrke, die Energiestromstrke bleibt nahezu gleich. Da die Strke des Stromsfr die (unerwnschte) Erwrmung der Fernleitung verantwortlich ist, lsst sich auf diese Weiseder Anteil der vom Generator nutzbaren Energie vergrern.

B1 Im Kunststoffgehuse des Zahnbrstenhalters ist eine Spule. Diese bildet zusammen mit derSpule, die mit dem Lmpchen verbunden ist einen Transformator, der die Spannung aus der

Steckdose auf einen fr das Lmpchen passenden Spannungswert herunter transformiert.

B2 Bei 1 V kann eine Ladung von 1 As die Energie 1 J umwandeln. Die Batterie enthlt die Ladung45 Ah = 45 3600 As = 162 000 As. Wird diese Ladung bei 12 V transportiert, so wird die Energie1 944 000 J = 1 944 kJ umgewandelt.

B3 Durch die nahezu gleichmige Rotation des Magneten ndert sich das magnetische Feld,das die Spule durchsetzt periodisch, sodass in der Spule eine Wechselspannung induziert wird.Amplitude und Periode sind unabhngig von der Drehrichtung.

B4 Der Induktionsherd funktioniert nach dem Transformatorprinzip, d. h., in der Herdplatte ist dieprimrspule und der Topfboden bildet die Sekundrspule mit geringer Windungszahl. Wie beimSchweitransformator ist dann die Stromstrke im Topfboden sehr gro (bei gleichzeitig geringer

Spannung), sodass sich der Topfboden stark erwrmt.

1 Wir bauen einen Elektromotor Kritische Punkte fr die Funktionalitt des Motormodells sinddie Schleifkontakte und die Lagerung des Ankers.Die Schleifkontakte mssen einerseitseinen widerstandsarmen Kontakt ermglichen, andererseitsdarf die dabeiunvermeidliche Reibung nicht zu gro werden.Die Lagerungmuss reibungsarm erfolgen und dennoch eine sichere Fhrung garantieren. Anstelleder Nagelpaare als Lager kann man auch zwei kleine Winkeleisen auf dem Grundbrettbefestigenund die Achse durch die Bohrung der Winkeleisen stecken.

Aufgaben S. 75

Aufgaben S. 77

Aufgaben S. 79

Rckblick S. 80

Heimversuche S. 81

10 2 3 4 5 76

Uin V

1

2

2

1

0

in A


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Elektrische Energie 23

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 Anschlssen der Spule eine Wech-selspannung. Die Anzahl der Perioden whrend einer Umdrehung der Dynamoachse ist dabeigleich der Anzahl der Magnetpaare. Im Kopfhrer wird die Wechselspannung in Schall umgewan-delt.

3 Wechselspannung sichtbar gemacht Der Versuch ist wegen der niedrigen Spannung eine un-gefhrliche Version der bekannten Glimmlampenversuche. Im zeiten teil sollten die beiden LED in

Lngsrichtung genau bereinander auf einem Brettchen montiert werden. Der Schutzwiderstandwird nur einmal bentigt und in eines der gemeinsamen Leiterstcke gelegt.

4 Selbstbaulautsprecher Wird an die Spule eine Wechselspannung gelegt, so werden Magnetund Spule abwechselnd gegenseitig angezogen und abgestoen. Die Membran schwingt dann imgleichen Takt wie die Spannung an der Spule.

Generator, Motor und Transformator

1 Ein Generator ist eine Maschine, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dasgelingt z. B. mit einer Anordnung wie im Schlerband, S. 72, B5, bei der sich eine Spule im Ma-gnetfeld dreht. Es entsteht bei jeder Umdrehung des Ankers eine sich in Polung und Betrag n-dernde 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 berentsprechend verschaltete Kommutatoren abgegriffen werden.Die Hhe einer in einer Generatorspule induzierten Spannung hngt von der nderung und vonder Strke des sie durchsetzenden Magnetfeldes ab. Sie ist am kleinsten, wenn die Spulenachseannhernd quer zu den Feldlinien steht, sie ist am grten in dem Bereich, bei dem die Spulen-achse nahezu parallel zu den Feldlinien zeigt.Erhhen der Drehgeschwindigkeit und / oder Verwenden mehrerer felderzeugender Magnete (mit

jeweils wechselnder Polung des Magnetfeldes in den sich vorbeidrehenden Spulen) pro Umlaufverndert das Magnetfeld rascher und die Spannung steigt entsprechend hher.

2 Eine Spannung, bei der periodisch die Polung gewechselt wird, heit Wechselspannung.

3 Der Spannungsverlauf ist sinusartig. DieAnzahl der Perioden whrend einer Umdre-hung ist gleich der Anzahl der Magnetpaare.Bei doppelter Geschwindigkeit erhlt mandoppelt so viele Perioden in der gleichen Zeitsowie doppelte Spannungsbeitrge.

4 a) An der elektrischen Quelle liegt Wechselspannung an. Zu einem bestimmten Zeitpunkt be-wegen sich die Elektronen im angeschlossenen Stromkreis in eine Richtung, wobei die Strke des

Elektronenstroms bis zu einem Hchstwert zunimmt und dann wieder auf 0A abnimmt. Anschlie-end wiederholt sich der Vorgang bei umgekehrter Richtung des Elektronenstroms. Besondershell leuchtet die Lampe bei den Hchstwerten der Stromstrke in beiden Richtungen. Ist dieStromstrke 0A, so verlischt die Lampe fr einen Moment.b) Eine LED lsst Strom nur in einer Richtung durch, die LED kann nur bei jeder 2. Halbperiode desWechselstroms leuchten. Daher ist die Aussage in a)zur elektrischen Quelle richtig.c) Gerte: Netztransformator, 2 Kabel, Glhlampe, LED mit zugehrigem Widerstand.Durchfhrung:Zu a)Schliee die Glhlampe an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Span-nung.Zu b)Schliee die LED an den Netztransformator an, achte dabei auf die passende Spannung.

Aufgaben S. 81

Aufgaben S. 82

Uin V

tin s


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24 Elektrische Energie

5 In einem Transformator befinden sich zwei Spulen Primrspule bzw. Sekundrspule genannt auf einem gemeinsamen Eisenkern. Eine periodische nderung der Stromstrke in der Primr-spule hat eine entsprechend periodische nderung des Magnetfeldes im Eisenkern zur Folge. DieSekundrspule wird von diesem Feld ebenfalls durchsetzt, es entsteht in ihr eine von der Strkedes Magnetfeldes und ihrer Windungszahl abhngige Spannung gleicher Periodizitt.

6 Tim kann nicht die Energieprobleme der Welt lsen, weil man mit einem Trafo nicht gleichzeitigSpannung und Stromstrke erhhen kann sondern stets nur eine der beiden Gren bei Verklei-

nerung der jeweils anderen. Die von Trafo abgegebene Energie ergibt sich aus der zum Trafobertragenen Energie vermindert um die innere Energie, die beim Transformieren entsteht.

Transport und Verteilung elektrischer Energie

7

Kraftwerkstyp Vorteile Nachteile Standort Voraussetzungen

Meeresstrmungs-kraftwerk

Keinen Bela-stungen von Be-wohnern in dicht-besiedelten Gebie-ten,

keinerlei Emissi-onen

Energieverlustedurch lange Trans-portwege,Schwieriger Bau

Im Meer Gengend starkeStrmungen

Aufwindkraftwerk Keinerlei Emissi-onen

Groer Flchen-verbrauch, Abhn-gigkeit vom Son-nenschein

In wenig besiedel-ten Gebieten

Hohe Sonnenein-strahlungsintensi-tt

Kohlekraftwerk KoninuierlicheEnergieversorgung

Emissionen vonStaub, Wasser-dampf, CO2, NOX,SO2

In Ballungsgebie-ten bei Kohlegru-ben bzw. an Trans-portwegen frMassengter

KostengnstigeVersorgung mitKohle, ausrei-chende Filterunggiftiger Substanzen

Kernkraftwerk KoninuierlicheEnergieversorgung,keine direkte CO2-

Emission

Entsorgung desradioaktiven Abfalls

In der Nhe vonBallungsgebieten

KontinuierlicheVersorgung mitKernbrennele-

menten; aufwn-dige Sicherheitsan-forderungen

Mllverbrennungs-anlage

Verringerung desAbfallvolumens,Energiegewinnung

Emissionen vonStaub, Wasser-dampf, CO2, NOX,SO2, Chlorwasser-stoffsure, Fluor-wasserstoffsure

In der Nhe vonBallungsgebieten

KontinuierlicheVersorgung mitMll, ausreichendeFilterung giftigerSubstanzen

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 Energieumwand-lungskette immer schlechter als mechanische oder elektrische Nutzenergie rckgewinnbar ist.

9 Pro Jahr stehen durch den Umsatz in der Solarzelle110 J/(s m2)606024365 s0,15 = 5,20108J/m2elektrische Energie zur Verfgung.Der Bedarf ist 6 000 3,6106J = 2,161010J.Daraus ergibt sich ein Flchenbedarf von 2,161010J : 5,20108J/m2= 41,5 m2.Der Flchenbedarf ist recht gro, stnde aber evtl. bei Nutzung aller Hausdcher zur Verfgung.Eine Vollversorgung ist dennoch kaum mglich, weil die zeitlichen Angebotsschwankungen nichtden zeitlichen Bedarfsschwankungen entsprechen.

Aufgaben S. 82


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Bewegungen 25

Bewegungen

A1 Im t-s-Diagramm ist die schnellere Lok daran zu erkennen, dass in der gleichen Zeit ein gre-rer Weg als bei der langsameren Lok zurckgelegt wurde. Die Steigung der zugehrigen Geradeist grer.

Im t-v-Diagramm liegt die zur schnelleren Lok gehrende (parallel zur t-Achse verlaufende) Gera-de oberhalb derjenigen der langsameren Lok.

A2

tin s 0 5,89 11,95 17,74 23,66 29,49

sin m 0 20 40 60 80 100

vin m/s - 3,4 3,3 3,5 3,4 3,4

t-s-Diagramm: t-v-Diagramm:

Beide Diagramme zeigen, dass die Geschwindigkeit nahezu konstant ist. Also hat sich der Radfah-rer gleichfrmig bewegt.

A3 Der Zeitabstand zwischen den vier Fotos muss immer gleich gewesen sein.

A1 Es ergeben sich folgende Mittelwerte: t-s-Diagramm:t= 2 s; s= 0,6925 mt= 3 s; s= 1,045 mt= 4 s; s= 1,4025 mt= 5 s; s= 1,75 m

Da die Messfehler nur sehr klein sind, ist kaum

ein Unterschied zwischen den Diagrammen zuerkennen. Wird die Geschwindigkeit aus derSteigung ermittelt, so ergeben sich nahezuidentische Werte.

Aufgaben S. 85

Aufgaben S. 86

sin m

tin s

100

80

60

40

20

0

10 20 300

vin m/s

tin s

4

3

2

1

010 20 300

1,6

1,2

0,8

0,4

0

sin m

tin s

1 2 3 4 5 60


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26 Bewegungen

A1 Der grne Graph zeigt die schnellere Bewegung, da er steiler verluft.

A2 Aus einem Steigungsdreieck zwischen t1= 1 s und t2= 4 s ergibt sich: t= 3 s, s 4,2 m; unddamit v 4,2 m/3 s = 1,4 m/s.

Wie die blaue Kurve so flacht auch die grneKurve in Diagramm B2auf der Schlerbuchsei-te 87 am Ende der Bewegung etwas ab, wh-

rend sie zu Beginn zunchst steiler wird. AmAnfang und am Ende der Bewegung msstedie Kurve im t-v-Diagramm daher hnlich aus-sehen wie im t-v-Diagramm B3auf der Schler-buchseite 87.

A1 Der Schall bentigt fr 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 zurck legt, schafft er in drei Sekunden 1 020 m.Das ist etwa 1 km fr je drei Sekunden.

A1 Es ist eine nach unten geffnete Parabel, die ihren Scheitelpunkt zum Zeitpunkt der grtenHhe der Kugel erreicht.

A1 zum Beispiel t= 3 s und v= 12 m/s. Dann ist a=12 m_s_

3s = 4 m/s2

A2 100 km/h = 27,78 m/s

a1=27,78m_s_

12,2 s = 2,28 m/s2

a2= 27,78m

_

s

_

9,8 s = 2,83 m/s2

A1 Folgende Angaben knnten im Text enthalten sein:Anfahren mit einer Beschleunigung von 0,22 m/s 2 bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h.Ortsdurchfahrt fr etwa drei Minuten mit konstanter Geschwindigkeit.Verlassen des Ortes und Beschleunigung auf freier Strecke mit a 0,08 m/s2bis auf 90 km/h.Langsames Abbremsen aufgrund eines vorausfahrenden Lkw bis auf 65 km/h.berholen: Beschleunigung auf 100 km/h innerhalb von etwa 100 s ( a= 0,10 m/s2).Langsames Abbremsen auf 50 km/h, Erreichen der nchsten Ortschaft nach insgesamt 12 Minu-

ten.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/s2.Erhhtes Verkehrsaufkommen und dadurch etwas ungleichfrmige Fahrt bis t= 30 min.Sich stetig aber langsam verringernde Geschwindigkeit aufgrund von Kolonnenbildung.Nach t= 33 min Erreichen der nchsten Ortschaft.Stillstand nach knapp 35 Minuten, Erreichen des Ziels.

A1 Die Lichtgeschwindigkeit betrgt etwa 300 000 km/s.Nach t= s/v= 1 m / 300 000 000 m/s = 3,3 10-9s ist die Lnge des Urmeters also die Strecke, diedas Licht in 3,3 Nanosekunden zurcklegt.

Aufgaben S. 87

Aufgaben S. 88

Aufgaben S. 90

Aufgaben S. 91

Aufgaben S. 92

Aufgaben S. 93

0 1 2 4 53

tin s

1,5

0,0

0,5

1,0

vin m/s


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Bewegungen 27

B1 Hier knnen mindestens zwei Aspekte angesprochen werden: Betrachtet man nur die Bewe-gung des Bootes (in Bezug zum ruhenden See), so bewegt sich das Boot auf den geraden Stre-cken nahezu gleichfrmig.Durch das Mitziehen der Kamera wird allerdings auch schon die Frage nach dem Bezugssy-stemes angesprochen. Der Hintergrund erscheint bewegt, whrend das Boot still zu stehenscheint. Das Bild zeigt also indirekt die (gleichfrmige) Bewegung der Kamera.

B2 Der Skispringer startet aus der Ruhelage und wird immer schneller. Es handelt sich also um

eine beschelunigte Bewegung.

B3 Die roten Bremslichter weisen auf eine verzgerte Bewegung hin.

B4 Der Fallschirm sorgt fr eine gleich bleibende Geschwindigkeit des Springers. Freier Fall be-deutet dagegen Beschleunigung.

1 Tachometerprfung am Fahrrad Eine vorgegebene Dtrecke mit gleich bleibender Geschwindig-keit zu durchfahren gelingt am ehesten mit fliegendem Start.

2 Die Geschwindigkeit eines Flusses Genau genommen wird die Durchschnittsgeschwindigkeitdes Flusses unter der Brcke bestimmt. Es ist:

vFluss=(Breite der Brcke in m)

___

(Schwimmzeit des Gegenstandes in s)

3 Eine Kugel rollt Ggf. sollte der Hinweis gegeben werden, die Messergebnisse nicht nur in eint-s-Diagramm einzutragen, sondern auch in ein t2-s-Diagramm.

Schnell und langsam

1 links oben:

Ausgleichsgerade mglich. Begrndung: kleine

Abweichungen von der Proportionalitt sindMessungenauigkeitenSteigung: v= 0,46 m/s

links unten:

Ausgleichsgerade mglich. Begrndung: s. o.Steigung: v= 1,33 m/s

Rckblick S. 94

Heimversuche S. 95

Aufgaben S. 96

10 2 3 4 5 7 8 9 106

tin s

3

5

4

0

1

2

s in m

10 2 3 4 5 7 8 9 106

tin s

9

15

12

0

3

6

s in m


28/39

28 Bewegungen

rechts oben:

Keine Ausgleichsgerade mglich. Begrndung:keine Systematik erkennbar; gravierende sy-stematische Fehler oder ungleichfrmige Be-wegung

rechts unten:

Keine Ausgleichsgerade mglich. Begrndung:der zurckgelegte Weg pro Zeitabschnitt steigtmit der Zeit; vermutlich gleichmig beschleu-nigte Bewegung, Parabelform

2 t-s-Diagramm::

3 a) 3,6 km

_

h = 3,6 1 000 m

_

3600 s = 1m_s

b) 20 km_h =20 000 m

_3 600 s = 5,6

m

_

s (80km

_

h = 22,4 m_s)

c) 20 m_s = 20 1m

_

s = 20 3,6km

_

h = 72km

_

h (30m

_

s = 30 3,6km

_

h = 108km

_

h )

4 s= v t=120 km 10 s

_

h =

120 1 000 m 10,0 s

__

3600 s = 333 m

5 v= s_t =1 km

_

18,0 s=3 600 1 km

_

18,0 h = 200km

_

h

6 s= v t= 340 m_s 3 s = 1 020 m 1 km

Aufgaben S. 96

10 2 3 4 5 7 8 9 106

tin s

6

10

8

0

2

4

sin m

0 1 2 4 53

tin s

6

10

8

0

2

4

sin m

1 2 3 4 5 6 7

sin cm

tin s

50

40

30

20

10

00


29/39

Bewegungen 29

7 Der Abstand der beiden Kontakte bildet eine feste Entfernung s. Beim berfahren des erstenKontakts wird eine Stoppuhr gestartet und beim zweiten Kontakt wieder angehalten. Mit v = s/ tkann dann, bei angenommener gleichfrmiger Bewegung, die Geschwindigkeit berechnet wer-den.

8 Fahrzeit bei konstanter Geschwindigkeit: t= s_v

t1=s

_

v1= 4 km_100 km/h= 0,04 h = 144 s = 2 min 24 s

t2=s

_

v2=4 km

_

120 km/h= 0,03 h = 120 s = 2 min.

Die Zeitersparnis betrgt 24 s.

9 a) Siehe Diagrammb)Im Bereich von t= 3,0 s bis t= 7,0 s liegendie Messpunkte recht gut auf einer Geraden,die Geschwindigkeit ist dort konstant.

c)v0 m 5 m=s

_

t=5,0 m

_

2,0 s = 2,5m

_

s

v14 m 26 m=s

_

t=12 m

_

2,0 s = 6,0m

_

s

10 a)100 mb)Bremsweg: zurckgelegter Weg bei Wirkung der BremsenAnhalteweg: Bremsweg plus whrend der Reaktionszeit zurckgelegter Weg

Bei einer Reaktionszeit von 1 s legt das Auto s= v t= 100 km/h 1 s = 27,78 m/s 1 s = 27,78 mzurck.Der eigentliche Bremsweg betrgt also 100 m 27,78 m = 72,22 mb)Moderne Pkw haben aus 100 km/h einen Bremsweg von unter 40 m. Grnde: bessere Bremsan-lagen (mit ABS usw.), bessere Reifen mit hherer Haftreibung beim Bremsen.

11 1. Abschnitt:gleichmig beschleunigte Bewegung von 0 km/h auf 100 km/h innerhalb von

60 s. a=100 km_h_

60s =27,78 m_s_

60 s = 0,463 m/s2

2. Abschnitt:gleichfrmige Bewegung fr 3 min bei 100 km/h

3. Abschnitt:gleichmige Beschleunigung innerhalb von 150 s von 100 km/h auf 200 km/h

4. Abschnitt:gleichmiges Bremsen auf 50 km/h innerhalb von 90 sdanach:gleichfrmige Bewegung

Aufgaben S. 96

10 2 3 4 5 6 7

30

20

0

10

s in m

t in s


30/39

30 Masse und Kraft

Masse und Kraft

A1 Z. B. Anfahren und Abbremsen eines Fahrstuhls; in den Kurven eines Karussell wird man nachauen gedrckt; Abklopfen von Lffeln auf dem Topfrand; Festklopfen eines Hammerkopfesdurch heftiges Schlagen des Stiels auf eine Unterlage; Unflle bei vereister Fahrbahn.

A1 Da die Masse die Trgheit bestimmt, ist die Trgheit des Lkw fnf- bis zehnmal so gro wiedie des Pkw. Wenn das Fahrzeug gegen ein Hindernis fhrt, wird der Pkw leichter abgebremstbzw. richtet weniger Schaden an als der Lkw.

A2

A1 Z. B. Tischtennis (Schlger; Richtung Gegner); Gewichtheben (Hnde, Arme; nach oben); Se-geln (Segel; in Bewegungsrichtung); Bogenschieen (Berhrpunkt Sehne Pfeil; Richtung Ziel-scheibe).

A2 Der Betrag der Kraft knnte die Flughhe oder Flugweite des Balls ndern. Die Richtung derKraft knnte darber entscheiden, ob er im Netz hngen bleibt oder ins Aus geht. Der Angriffs-

punkt beeinflusst, ob der Ball richtig getroffen wird, also den gewnschten Weg der Kraftrich-tung nimmt.

A1 Beide Geraden verlaufen durch den Ursprung, diejenige zu D2ist deutlich steiler als die zu D1.

A2 Wenn die Verformung von selbst vollstndig verschwindet, ist sie elastisch. Genauer ist eineMessung der Lnge der Verformung sund der jeweils wirkenden Kraft. Beide Gren mssen beielastischer Verformung proportional zueinander sein.

A1 Das Auto trifft auf ein Hindernis. Die Karosserie verbeult sich zwischen 0,03 s und 0,09 s nachdem Aufprall fortschreitend strker. Der Airbag beginnt bei 0,03 s, sich zu ffnen und fngt denDummy auf, der sich ab 0,05 s deutlich Richtung Lenkrad bewegt. Bei 0,07 s und 0,09 s bewegt sich

das Auto nicht mehr weiter vorwrts, sondern gert in eine leichte Schrglage: Es wird vorne zumBoden hin gestaucht und hinten ein wenig angehoben.

A2 Die Bewegungsenergie des Autos wird letztendlich in innere Energie des Hindernisses undder Karosserie verwandelt. Auf dem Weg dahin bewegt sich auch das Material, also wird Bewe-gungsenergie bertragen.

A3 Das Auto hat eine groe Trgheit. Daher mssen die wirkenden Krfte gro sein, um es zumStillstand zu bringen. Dies wird durch die Schden belegt. Auch Gegenstnde im Auto bewegensich aufgrund ihrer Trgheit nach dem Aufprall weiter. Der Dummy wird vom Sicherheitsgurt undvom Airbag abgebremst, die eine Kraft in entgegengesetzter Richtung auf ihn ausben.

A1 Kraftphysiker: Der Airbag sorgt dafr, dass die Zeitdauer bis zum Stillstand des sich bewe-

genden Insassen verlngert wird. Aus diesem Grund sind die wirkenden Krfte kleiner und manlandet weich.

Energiephysiker: der Airbag verwandelt die Bewegungsenergie der Insassen in innere Energiedes Materials und der Luft. Sie wird nicht in innere Energie des Menschen umgewandelt.

Aufgaben S. 98

Aufgaben S. 99

Aufgaben S. 101

Aufgaben S. 105

Aufgaben S. 106

Aufgaben S. 107


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Masse und Kraft 31

A1 Je nach Quellenlage knnen die Angaben insbesondere hinsichtlich der Gasplaneten schwank-gen.Folgende Angabe nach http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph08/umwelt_technik/10_planeten/g-faktoren.htm (Stand 2008):Sonne 274 N/kg;Merkur 3,7 N/kg; Venus 8,87 N/kg; Mars 3,73 N/kg;Jupiter 24,9 N/Kg; Saturn 11,1 N/kg; Uranus 9,0 N/kg; Neptun 11,4 N/kgPluto (kein Planet) 0,17 N/Kg

A1 F= mg= 110 kg 1,62 N/kg = 178,2 N

m= F_g=178,2 N

_

9,81 N_kg= 18,17 kg

A2 Gerte: genormtes Massestck bekannter Masse, Kraftmesser;Durchfhrung: Bestimmung der wirkenden Kraft auf die Normmasse;dann Berechnung von g ber g= F/m.

A1 Die gelben Markierungen geben physikalische Einheiten an.Die blauen Markierungen beschreiben Phnomene, die ihre Begrndung in der Trgheit haben.Hier knnten noch folgende Stze markiert werden: Der Wagen wollte einfach nicht anhalten.und Und geradeaus fliegen tun sie noch,

A2 Rot markiert ist die in der Physik ungebruchliche Einheit Pfund. 1 Pfund = 500 g; im englisch-sprachigen Raum ist 1 Pfund ungefhr 454 g.Grn markiert sind physikalische Begriffe in ihrer Verwendung in der Alltagssprache. Ihre Bedeu-tung ist hier nicht immer ganz deckungsgleich mit der physikalischen Bedeutung.

A3 Die Angabe Tragkraft 250 g ist physikalisch falsch. Gemeint ist: Messbereich 250 g.Tatschlich misst die Waage Krfte und msste eine Skala in Newton besitzen. Im Alltag ist es

jedoch blich, die Umrechnung in eine Masse (100 g entsprechen auf der Erde etwa 1 N) bereitsbei der Beschriftung zu bercksichtigen.

A4 Die zu messende Masse wird auf die Waagschale gelegt. Diese sinkt nach unten. Nun mssen

das groe und kleine Gewicht auf dem Waagarm rechts von der Aufhngung verschoben werden,bis der Waagarm waagerecht steht. An den Markierungen auf dem Waagarm kann dann abgele-sen werden, welche Masse aufliegt.

B1 Kraftphysiker: Beim Aufprall wird das Fahrzeug auf krzester Distanz bis zum Stillstand abge-bremst. Auf das Fahrzeug wirkt eine Kraft entgegen der Fahrtrichtung. Durch die Kraft wird auchdas Fahrzeug verformt.Energiephysiker: Beim Aufprall wird die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in innere Energie (desFahrzeugs und der Umgebung) umgewandelt werden. Dies geschieht durch die (plastische) Ver-formung.

B2 Das Plakat weist auf die Trgheit hin. Beim starken Bremsen oder bei einem Aufprall bewegtsich der Teddy aufgrund seiner Trgheit weiterhin vorwrts. Das Kind wrde sich ebenfalls weiter

vorwrts bewegen, wenn es nicht durch den Sicherheitsgurt gehalten wrde.

B3 Der Sack fr das Boxtraining hat eine groe Masse und daher auch eine groe Trgheit, da-mit er sich bei den Boxschlgen kaum aus der Ruhelage bewegt.

B4 Die unterschiedlichen Ortsfaktoren bedeuten, dass ein gegenstand auf diesen Himmeslkr-pern unterschiedliche Gewichtskraft hat.

B5 Beim Start beschleunigen die Sprinter sehr stark. Damit es dabei nur zu einer Vorwrtsbewe-gung und nicht zu einer Drehbewegung des Sprinters kommt, muss die Verbindungslinie zwi-schen Angriffspunkt der Kraft (am Fu des Sprinters) und der Schwerpunkt des Sprinters (etwa)der Richtung der beschleunigenden Kraft entsprechen. Dies wird durch das Vorbeugen erreicht.

Aufgaben S. 108

Aufgaben S. 109

Aufgaben S. 111

Rckblick S. 112


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32 Masse und Kraft

B6 Die Masse ist vom Ort unabhngig. Der Astronaut hat selbstverstndlich eine Masse (auchwenn er sich schwerelos fhlt).

1 Sicherheitsmanahmen fr ein Ei Wie mit der Knautschzone im Pkw muss auch hier derBremsweg fr das Ei verlngert werden, um die auftretende Kraft mglichst klein zu halten.

2 Untersuchung der Ausdehnung einer selbst gebastelten Feder Das Hooke`sche Gesetz gilt nur

in einem engen Bereich, da sich der Eisendraht auch plastisch verformt.

Trgheit und Kraftwirkungen

1 Ein Auto wird schneller bzw. bremst; eine Feder wird gedehnt; ein Ball wird verformt; ein Nagelwird in die Wand geschlagen; ein Speer wird geworfen; ste wiegen im Wind.Beispiele fr keine physikalischen Krfte: Kraftbrhe, Sehkraft, Leuchtkraft, Waschkraft, Schaffens-kraft, Willenskraft, berzeugungskraft, Kraftausdruck.

2 a)Entgegen der Fahrtrichtung.b) Der Krper mchte die Geradeausbewegung beibehalten, da der Bus in eine Rechtskurve fhrt,wird man in Richtung der linken Wand gedrckt.c) Man muss sich festhalten, um nicht nach vorne zu fallen.

3 Das Vorderrad bleibt aufgrund des Bremsens pltzlich stehen, der hintere Teil des Fahrrads istjedoch trge und strebt danach, seine Bewegung beizubehalten. Es kann passieren, dass dieBewegung in die einzige mgliche Richtung, nmlich um die Achse des Vorderrades (nach oben)weitergeht und der Fahrer mit dem Rad nach oben katapultiert wird und sich berschlgt.

4 Betrag, Richtung und Angriffspunkt der Kraft (die Art der Kraft ist unerheblich)

5 Wenn das Auto durch den Aufprall eines von hinten auffahrenden Autos pltzlich nach vornebeschleunigt wird, kann der Kopf aufgrund seiner Trgheit nicht schnell genug folgen und wird ander Halswirbelsule gebogen. Die Kopfsttze fngt den Kopf auf und verringert als Knautschzone

die wirkende Kraft.

6 Der Krper behlt entweder die neue Form bei (er ist plastisch verformbar, also unelastisch)oder er begibt sich nach kurzer Zeit wieder in seine ursprngliche Form (elastisch). Nhert er sichseiner ursprnglichen Form mehr oder weniger an (z. B. Eisenstange), so ist er teilelastisch.

7 Die Kugel bt eine Kraft auf den Rand aus und eine minimale, nicht sichtbare elastische Verfor-mung der Kugel und des Randes finden statt. Bei der Wiederherstellung der ursprnglichen Formbt der Tisch eine Kraft auf die Kugel mit genderter Richtung aus und diese prallt ab.

8 Die Knautschzone sorgt dafr, dass die nderung der Geschwindigkeit in lngerer Zeit abluftals ohne Knautschzone. Durch die langsamere Geschwindigkeitsnderung wirkt eine geringereKraft. (Kraftphysiker)

Die Knautschzone nimmt die Bewegungsenergie des Krpers auf und verwandelt sie in innereEnergie des Knautschmaterials. Dadurch wird sie nicht in innere Energie des Krpers umgewan-delt und Verletzungen werden verhindert. (Energiephysiker)

Hooksches Gesetz

9 a) Der Betrag der zur Dehnung erforderlichen Zugkraft Fin Richtung der Federdehnung istproportional zur Verlngerung sder Federdehnung. Dies gilt fr alle nicht zu groen Krfte.b) Betrachtet man die Messskala eines Federkraftmessers in seinem Messbereich, so erkenntman, dass die einzelnen Marken gleich groe Abstnde haben; das bedeutet, dass die dehnende

Rckblick S. 112

Heimversuche S. 113

Aufgaben S. 113

Aufgaben S. 114


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Masse und Kraft 33

Kraft Fund die Federdehnung sdirekt proportional sind. Das Hookesche Gesetz gilt also inner-halb des Messbereichs des Kraftmessers.

10 Aus F= Ds folgt s= F_D

= 250 N_30 N/cm= = 8,33cm

11 a) D= F_s= 4,0 N/6,0 cm = 0,67 N/cm

b)s=F

_

D

=1,5 N

_

0,67 N/cm= 2,2 cm

12 Es wird vorausgesetzt, dass das Hookesche Gesetz nherungsweise erfllt ist. Dies ist aller-dings nur fr kleine Dehnungen richtig. Dann gilt:D= 5 N/10 cm = 0,5 N/cm.

s= F /D=6,0 N

_

0,5 N/cm= 12 cm

13 Eine sechsmal so groe Kraft wrde die Pufferfeder auch sechsmal so weit zusammendr-cken. Die Stauchung bei 90 kN betrgt dann s= 6 25 mm = 150 mm.

14 a) Siehe Diagramm

b) Bis etwa 2 cm bzw. 10 N gilt wegenLinearitt das Hookesche Gesetz.Daus der Zeichnung:D= 10 N/2,1 cm = 4,8 N/cm.Aus der Tabelle ergibt sich bis 2,1 cmals Mittelwert DMittel= 4,9 N/cm.

c) Fr F= 7,5 N wird s=7,5 N

_

4,8 N/cm= 1,6 cm.

Das ist eine gute bereinstimmungmit dem Diagramm.

15 Gem Schlerband S. 105, B2sind beim Gummiband wirkende Kraft Fund Verlngerung snicht proportional. Zustzlich ergeben sich beim Verlngern und Zusammenziehen verschiedeneWertepaare (F/ s). Somit wre das Gummiband als Kraftmesser nur mit dem vorliegenden Dia-gramm nutzbar.

16 a)Im Abschnitt von 0 m bis etwa 30 m Dehnung und von 45 m bis etwa 90 m verhlt sich dasBungeeseil weitgehend elastisch; d. h. die Steigung des Graphen ist ungefhr konstant.b)Zwischen 0 m und 30 m zum Beispiel: F= 800 N, s= 30 m sowie (0/0).D= F /s= 800 N/30 m = 26,67 N/m

Zwischen 45 m und 90 m: (45/1050) und (90/1500);

D= F_s

= 1500 N 1050 N__

90 m 45 m =450 N

_

45 m = 10N

_

m

c)Bei einer Kraft ber 3000 N verlngert sich das Seil nur noch wenig. Das Seil ist somit sicher

nicht fr die Benutzung mit Krften ber 3000 N gedacht. Der Abreipunkt dieses Seils ist in dem

Diagramm nicht mehr zu erkennen, d. h. er liegt bei einer greren Kraft als 7000 N. Der fast waa-

gerechte Verlauf des Graphen fr einen Kupferdraht bei hohen Krften (Schlerbuch, S. 105, B2)

knnte sich auch hier fr noch grere Krfte anschlieen. Dann kann das Seil auch reien.

10 2 3 4

Fin N

sin cm

14

12

10

8

6

4

2

0

Aufgaben S. 114


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34 Masse und Kraft

Gewichtskraft und Masse

17 g= 9,81 N/kg; aus F= mg folgt m= F_g=1187 N

_

9,81 N/kg= 121 kg

Auf dem Mond verndert sich die Masse des Astronauten nicht.

18 1 kg Wasser: F= 9,81 N1 t Butter: F= 1 000 kg 9,81 N/kg = 9 810 N

500 g Wurst: F= 0,5 kg 9,81 N/kg = 4,905 N200 mg Diamant: F= 0,2 10-3kg 9,81 N/kg = 0,001962 N = 1,96 mN

19 Die Gewichtskraft nimmt mit der Hhe ber Meeresniveau ab (genauer: mit der Entfernungvom Erdmittelpunkt), auf dem Gipfel des Kilimandscharo (g= 9,80 N/kg) erfhrt daher das Gepckeine geringere Gewichtskraft als am Nordpol (g= 9,83 N/kg). Die Differenz betrgt aber nur 1,5 N.

20 a) nur mglich, falls der Ortsfaktor bekannt ist.b) Messung ist durch Massenvergleich direkt mglich.c) Mit einem Massenstck ist der Ortsfaktor zu bestimmen, damit lsst sich aus der gemessenenKraft die Masse berechnen.

21 a)Es trifft zu, die Anziehung des Mondes ist an den Gezeiten zu erkennen, die Anziehung der

Erde bindet den Mond.b)Es trifft zu, aber die Krfte sind viel zu klein, als dass sie sicht- oder messbar wren, da dieAnziehungskraft von der Masse der beteiligten Krper abhngt. Die Formel F= mg bercksich-tigt die Masse des einen Krpers durch das m und diejenige des zweiten Krpers steckt im g,wie am Beispiel der Ortsfaktoren von Erde und Mond deutlich wird.

Aufgaben S. 114


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Zusammenwirken von Krften 35

Zusammenwirken von Krften

A1 Z. B. Kutsche, die von mehreren Pferden gezogen wird; Tragen von Gegenstnden mit mehre-ren Personen; Tauziehen; Drachen steigen lassen; Gummiband, das auseinander gezogen wird.

A2 Die Rutschkraft sollte bei einer Leiter deutlich kleiner sein als die Drckkraft. Dies ist dann derFall, wenn der Winkel a, den die Leiter mit dem Boden bildet, ber 45 gro ist.

A1

Kraft Gegenkraft

100-m-Lauf Fe Startblock, Boden

Klettern Hnde, Fe Fels

Skilanglauf Stcke Boden

Stabhochsprung Arme, Stabende Boden

Schwimmen Hnde, Arme, Beine Wasser

A1 Befinden sich vorne doppelt so viele Zhne wie hinten, so hat sich schon bei einer halbenUmdrehung des Vorderrades das Hinterrad einmal ganz gedreht. Fr schnelles Fahren ist es alsognstig, vorne viele Zhne und hinten wenig Zhne zu verwenden.

A2 Es ergibt sich, dass die Krfte F1 und F2im umgehrten Verhltnis zueinander stehen wie dieKreisradien r1 und r2:

F1

_

F2=

r2

_

r1

A3 An dem endlosen Seil, das auf dem Kreis mir Radius r2luft, wird mit einer kleinen Kraft F2gezogen. Die Last hngt an dem Seil, das mit einem kleineren Radius r1aufgewickelt wird. Nach

dem Hebelgesetz ist dadurch die Kraft F1um den Faktor r2/ r1grer als die Kraft F2. Es knnenalso schwere Lasten mit wenig Kraftaufwand hochgezogen werden. Allerdings muss dafr auchsehr viel Seil gezogen werden.a)Die Aufgabe wird vom Aufbau in der Zeichnung erfllt.b)Die Last msste bei F2befestigt werden und statt des Endlosseils msste man auch hier dasSeil aufwickeln. Dann wrde ein kleiner Zug mit der groen Kraft F2die Last einen weiten Wegnach oben transportieren.

A4 Schnelles Fahren ist nur durch schnelleres Treten, d. h. mehr Umdrehungen pro Zeit, mglich.

A1 Die Zugkraft links ist immer genauso gro wie die Gewichtskraft rechts. Die gezogene LngeSeil entspricht der Hubhhe.

A2 Die Zugkraft ist nur halb so gro wie die Gewichtskraft. Die gezogene Seillnge ist doppelt sogro wie die Hubhhe.

A3 Die Kraft verteilt sich auf vier Seilstcke und betrgt deswegen nur noch ein Viertel der Ge-wichtskraft der angehngten Masse.

A1

B1 Bei parallelen Krften ist die Ersatzkraft gleich der Summe der Einzelkrfte.

B2 Wechselwirkungsprinzip: Beim Absprung bt der Fu eine Kraft auf das Boot aus und dasBoot antwortet mit der Gegenkraft. Da das Boot leicht beweglich ist, wird es weggeschoben.

Aufgaben S. 119

Aufgaben S. 121

Aufgaben S. 123

Aufgaben S. 125

Aufgaben S. 126

Rckblick S. 128


36/39

36 Zusammenwirken von Krften

B3 Da die Brcke nicht einstrzt, muss die Gewichtskraft jedes Steins im Brckenbogen durcheine gleich groe Kraft kompensiert werden. Aufgrund der Keilform der Steine im Brckenbogenkann diese Kraft so in Teilkrfte zerlegt werden, dass sie jeweils durch die Gewichtskraft derNachbarsteine erzeugt wird. Die Gesamtgewichtskraft der Brcke wirkt dann nur noch dort, wodie Brcke im Boden verankert ist (und muss dort durch die gegenkraft des Bodens kompensiertwerden).

B4 Auf den Pfeil wirken zwei Krfte in Richtung der Bogensehne. Die Ersatzkraft dieser beiden

Krfte beschleunigt den Pfeil in Flugrichtung. Beim Spannen der Bogensehne wirkt die Muskel-kraft des Bogenschtzen den beiden Krften entgegen.

B5 Zur Fortbewegung bentigt man eine Gegenkraft. Frei schwebend im Vakuum ist die Fortbe-wegung daher nur mit einem Raketenantrieb mglich.

B6 Baron Mnchhausen behauptet, dass er sich selbst an den Haaren aus dem Sumpf gezogenhabe. Dies kann nicht funktionieren, weil Kraft und Gegenkraft auf den selben Krper wirken undsich daher zu Null addieren.

B7 Tintenfische knnen sich durch Aussto des Atemwassers durch den so genannten Trichter(eine siphonhnliche, nach allen Seiten zu bewegenden Verlngerung der ffnung zur Atemhh-le) fortbewegen (Rckstoprinzip).

1 Fahrzeug mit Gummibandmotor Das gespannte Gummi bt eine Kraft auf die Welle des Propel-lers aus und versetzt ihn so in Drehung (Die Gegenkraft, die den Wagen in umgekehrte Drehungversetzt wird durch die Wechselwirkung des Wagens mit der Erde aufgefangen). Der Propellerbt eine Kraft auf die Luft aus er beschleunigt die Luftteilchen. Die Luft antwortet mit derGegenkraft auf den Propeller, die den gesamten Wagen in entgegengesetzte Richtung zur Luftbeschleunigt.

2 Wir testen: Wie gro ist die Belastbarkeit von Papier Der Trick besteht darin, durch ge-schickte Konstruktion die Gewichtskraft der Last in mglichst viele kleine Teilkrfte zu zerlegen.

Zusammenwirken von Krften

1 Die Ersatzkraft aller im System angreifenden Krfte (mindestens zwei) besitzt den Betrag 0.

2 Die Gewichtskrfte der Last und des Seils sind gleich gerichtet; der Betrag der Ersatzkraft istdie Summe der einzelnen Gewichtskrfte: F= 200 N + 100 N = 300 N

3 Siehe Zeichnung:

Heimversuche S. 129

Aufgaben S. 130

F2= 10 N

F1= 15 N

F= 18 N

Rckblick S. 128


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Zusammenwirken von Krften 37

4 Siehe Zeichnung:

5 Siehe Zeichnung:

a= 45:

F1in N 2 5 6 8 12 20 24 27

F2in N 1 4 5 9 15 20 12 45

Fin N 2,8 8,3 10,2 15,7 25,0 37,0 33,6 66,9

a= 90:

F1in N 2 5 6 8 12 20 24 27

F2in N 1 4 5 9 15 20 12 45

Fin N 2,2 6,4 7,8 12,0 19,2 28,3 26,8 52,5

a= 135:

F1in N 2 5 6 8 12 20 24 27

F2in N 1 4 5 9 15 20 12 45

Fin N 1,5 3,6 4,3 6,6 10,7 15,3 17,7 32,2

6 Siehe Zeichnung:

F1= 4,3 N F2= 3,2 N F= 3,0 N F1= 3,0 N F2= 3,0 N F= 4,3 N

Aufgaben S. 130

8 N

3 N

F

F= 8,8 N

a

FF2

F1

a

F2F

F1

a

F1

F

F2

F

F2

F1

FF1

F2

F

3 N

F= 2,2 N

3,5 N

F

5 N

F= 11 N

6 N


38/39

38 Zusammenwirken von Krften

7 Die Gewichtskraft jedes Steins kann man sich aufgrund der Krmmung des Gewlbes in zweiTeilkrfte zerlegt denken. Diese Teilkrfte wirken jeweils auf den Nachbarstein rechts und links.Auch die Gewichtskraft der Nachbarsteine kann wieder zerlegt werden. Sind die beiden Teilkrfte

jedes Steins genauso gro wie diejenigen seiner Nachbarn, so entsteht zwischen zwei Steinenimmer ein Krftegleichgewicht. Lediglich bei den beiden ganz ueren Steines muss dieses aufandere Weise hergestellt werden.

8 Die Kugel wird mit einer sehr groen Kraft aus dem Gewehrlauf geschossen. Nach dem Wech-

selwirkungsgesetz gehrt zu jeder Kraft eine gleich groe, entgegengesetzt gerichtete Gegen-kraft. Diese verursacht den Rcksto. Die Gre des Rckstoes hngt deshalb letztendlich vonder Beschleunigung der Kugel und ihrer Masse ab.

9 Ohne Reibung gelingt es kaum, eine Kraft auf die Stange auszuben. Daher gibt es auch nureine geringe Gegenkraft, die aber zum Vorwrtskommen erforderlich ist.

10 Auf die Kugel wirkt wie auf alle Krper auf der Erde die Gewichtskraft. Der Tisch bt jedocheine entgegengesetzt gerichtete, gleich groe Gegenkraft auf die Kugel aus. Damit entsteht einKrftegleichgewicht. Die Ersatzkraft ist null und daher ist keine Kraft beobachtbar.Wenn die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit rollt, wirkt entweder keine Kraft oder es herrschtebenfalls ein Krftegleichgewicht. Da eine Kugel keine Antriebskraft besitzt, auf der Erde jedochstndig eine Widerstandskraft (Luft- und Bodenreibung) wirkt, folgt hieraus, dass eine Bewegung

mit konstanter Geschwindigkeit fr eine rollende Kugel auf der Erde gar nicht mglich ist.Oft wird jedoch die Idealisierung vorgenommen, die Widerstandskraft zu vernachlssigen. Dannbewegt sich die Kugel krftefrei.

11 Es wirkt am Berhrpunkt von Ball und Wand eine Kraft, die der Ball auf die Wand ausbt, undeine gleich groe Gegenkraft, die die wand auf den Ball ausbt. Diese Kraft wirkt so lange, wiesich Ball und Wand berhren. In der ersten Hlfte dieser Zeitspanne wird der Ball verzgert bisseine Geschwindigkeit gleich null ist, anschlieend erfolgt die Beschleunigung in entgegenge-setzter Richtung whrend der zweiten Hlfte dieser Zeitspanne.

12 Auf der Erde wirkt durch die Luft eine Widerstandskraft auf den Stein. Da er durch seine Ge-wichtskraft beschleunigt wird, steigt die Widerstandskraft stndig, bis sie so gro wie die Ge-

wichtskraft ist. Dann herrscht Krftegleichgewicht und die Geschwindigkeit bleibt konstant.Auf dem Mond fehlt die Widerstandskraft. Dadurch wirkt nur die Gewichtskraft, die den Steinimmer weiter beschleunigt.

Schwierige Probleme

13 Da die Krfte gleiche Betrge besitzen, besteht das Krfteparallelogramm aus zwei gleichsei-tigen Dreiecken; daher ist der Winkel zwischen den beiden Krften 120 .

14 Es wirken 250 N nach links. An der Verbindung der Seile mssen daher in der Verlngerungdes linken Seils ebenfalls 250 N nach rechts wirken, um ein Krftegleichgewicht zu erreichen.Diese beiden Kraftpfeile werden gezeichnet. Der rechte Pfeil wird dann unter Bercksichtigung

der Winkelvorgabe in zwei Teilkrfte zerlegt. Es ergeben sich etwa 210 N fr das Mdchen undetwa 75 N fr den Jungen (siehe Zeichnung).

Aufgaben S. 130

135 60

F1= 250 N

F2= 200 N

F3= 75 N


39/39

15 Siehe Grafiken

16 Die Waage zeigt 550 g an. Dass sie die Masse des unteren Magneten und der Halterung misst,ist klar. Der zweite Magnet schwebt zwar, jedoch wirkt zu der Kraft, die ihn in der Schwebe hlt,eine gleich groe Gegenkraft nach unten auf den ersten Magneten. Diese muss vom Betrag hergleich der Gewichtskraft des Magneten sein und wird mit gemessen.

Aufgaben S. 130

l2

l2

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F2

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F2> F1

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Impulse Physik 7,8 Lösungen