Physik im Kontext

Klasse 9 Gymnasium

Schulset Hamburg

Hamburg, Mai 2006

Mechanische Energie und Leistung- methodisch anders

Physik im Kontext: Hamburg 2 Mechanische Energie und Leistung

Impressum: Herausgeber: Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Bildung und Sport Amt für Bildung - B 22 – Referat: Mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Unterricht Hamburger Straße 3, 22083 Hamburg Fachreferent: Henning Sievers Leibniz-Institut der Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) Olshausenstr. 62; 24098 Kiel Piko-Mitarbeiter: Thorsten Bell, Ulrike Gromadecki, Silke Mikelskis-Seifert, Christoph Müller Autoren: Ingrid Denecke Tobias Kirsch Dirk Schütt (alle Gymnasium Lohbrügge) Hamburg 2006

Physik im Kontext: Hamburg 4 Mechanische Energie und Leistung

„Physik im Kontext“ (piko) ist ein Programm*, das die naturwissenschaftliche

Grundbildung von Schülerinnen und Schülern durch Physikunterricht fördern will. Dabei

arbeiten erfahrene Lehrkräfte und Fachdidaktiker gemeinsam in sogenannten

„Schulsets“ an der Entwicklung von neuen Unterrichtskonzepten und Materialien, die

sich an drei Leitlinien orientieren:

1. Entwicklung einer neuen Lehr-Lern-Kultur: Ein methodisch vielfältiger und auf die

Lernziele abgestimmter Unterricht bietet Schülerinnen und Schülern

unterschiedliche Zugänge zu einem Thema, hilft bei der Überwindung von

Lernschwierigkeiten und kann selbstgesteuertes Lernen ermöglichen. Die

Anbindung an Alltagskontexte fördert Interesse und Motivation.

2. Förderung des naturwissenschaftlichen Denkens, Arbeitens und Anwendens:

Ein grundlegendes Verständnis naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen kann

Schülerinnen und Schüler zu eigenständiger Arbeit befähigen sowie die Anwendung

schulischen Wissens in der Auseinandersetzung mit Problemen aus Alltag und

Lebenswelt fördern.

3. Integration von Themen aus dem Bereich moderne Physik/Technologien:

Moderne Themen können als Anwendungskontexte das Interesse von Schülerinnen

und Schülern fördern. In höheren Jahrgangsstufen kann darüber hinaus ein

Grundverständnis für moderne theoretische Perspektiven entwickelt werden.

Die vorliegende Handreichung ist ein Produkt der piko-Arbeit im Schulset:

Hamburg und wurde am Gymnasium Lohbrügge entwickelt.

* Das Programm wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und

vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) in Kiel in Kooperation mit

den Universitäten Kassel und Paderborn, der Humboldt-Universität zu Berlin und der

Pädagogischen Hochschule in Ludwigsburg durchgeführt.

Physik im Kontext: Hamburg 5 Mechanische Energie und Leistung

Vorbemerkungen Energie ist das Thema des Rahmenplans für die Klasse 9 in Hamburg. Dazu gehören die Teile mechanische Energie, elektrische Energie und Wärme. Der hier vorliegende Teil ist die Unterrichtseinheit zu Mechanische Energie und Leistung. Daraus sind einzelne Bausteine ausführlicher dargestellt. Der gesamte Unterrichtsgang ist mit Arbeitsblättern im Anhang dokumentiert. Er geht von einem mengenmäßigen Vorverständnis von Energie aus und nicht vom physikalischen Begriff Arbeit. Dieser Unterrichtseinheit voraus geht eine hier nicht dokumentierte Unterrichtseinheit „Der Mensch im Mittelpunkt“, bei dem es vor allem um Energieumsatz des Menschen, um seine Nahrung und Tätigkeiten geht, aus der die Schüler auch die Energieeinheiten kennen. Schwerpunkt ist das selbständige Arbeiten der Schüler bei den Stationen, in der Forschungsdoppelstunde und beim Bau des Mausefallenautos. Diese drei Schwerpunkte sind zuerst ausführlicher dargestellt. Es folgt der Stundenverlauf mit weiteren Arbeitsblättern.

Physik im Kontext: Hamburg 6 Mechanische Energie und Leistung

Grundlegende qualitative Erfahrungen zu mechanischen Energieformen

Bezug zum Rahmenplan: Dauer

Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie,

Beobachten und Experimentieren

1 Doppelstunde für die Stationen

20 Minuten für die Besprechung

Leitende Fragestellung, Kontext, Problem

Die Schüler sollen selbständig grundlegende Erfahrungen zu mechanischen Energieformen sammeln.

Methodische Vorschläge

Einstieg

Den Schülern werden Lernstationen zu mechanischen Energieformen angeboten

Erarbeitung

Gruppenarbeit an den Stationen mit dem Arbeitsauftrag - Finde heraus, woher die Energie für die „Tätigkeit“ kommt. - Finde heraus, wodurch die Menge der Energie bestimmt wird. - Formuliere das Ergebnis in einem oder zwei je-desto-Sätzen.

Festigung

Die Ergebnisse werden an Hand einer Folie mit den Bildern und Namen der Stationen besprochen.

Material

Material:

Stationen zur mechanischen Energie mit Arbeitsblättern

Stationen zur mechanischen Energie Übersichtsblatt

Hinweise zum benutzten Material

Anhang

Die Arbeitsblätter zu den Stationen, die Übersicht und die Hinweise folgen auf den nächsten Seiten.

Der Stundenverlauf der gesamten Unterrichtseinheit ist im Anhang am Ende dokumentiert.

Physik im Kontext: Hamburg 7 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 1 – Fallrohr Hinweis: Der Nagel sollte senkrecht stehen und möglichst weit aus dem Styropor herausragen Material: Nagel, 3 verschiedene Fallkörper. Fallrohr, Styropor-Klotz

Physik im Kontext: Hamburg 8 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 2 – Wagen mit Spannfeder

Hinweis: Der Wagen darf nicht vom Tisch fallen. Wagen mit gespannter Feder starten. Material: Schiene, Wagen, Spannfeder

Physik im Kontext: Hamburg 9 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 3 – Kugelbahn mit Klotz

Material: Kugel, Klotz, Schiene

Physik im Kontext: Hamburg 10 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 4 – Auto mit Spannfeder

Hinweis: Den Wagen durch wiederholtes Zurückschieben aufziehen und loslassen. Material: Wagen mit Faden und kleinem Massestück, Umlenkrolle auf Klotz

Physik im Kontext: Hamburg 11 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 5 – Zugwagen

Hinweis: Der Wagen darf nicht auf den Boden fallen. Material: Wagen, Schiene, Umlenkrolle auf Klotz, Faden mit Haken und Gewichtstück

Physik im Kontext: Hamburg 12 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 6 – Artistenwippe

Hinweis: Radiergummi auf die Linealwippe fallen lassen. So lassen sich im Zirkus Artisten nach oben schleudern.

Material: Lineal, Bleistift, Münze, kleines und großes Radiergummi

Physik im Kontext: Hamburg 13 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 7 – Drehgerät

Durch Drehen des großen Rads kann man den Faden aufwickeln. Material Kreisel mit Stange und Tischklemme, Tischklemme mit kurzer Stativstange und Muffe. Band mit Gummiband befestigt am Kreisel

Physik im Kontext: Hamburg 14 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 8 – Ringschleuder

Sicherheitshinweis: Versuch draußen durchführen. Beim Abschuss Abstand halten. Material: Stativfuß, lange Stativstange, kleines Holzbrett mit Bohrung, Feder, Kupferringe

Physik im Kontext: Hamburg 15 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 9 – Selbstfahrwagen

Hinweis: Im Kasten sind unterschiedliche Massestücke. Wickel den Faden auf der Antriebsrolle durch Drehen der Achse auf. Material: Selbstfahrwagen mit Massestücken

Physik im Kontext: Hamburg 16 Mechanische Energie und Leistung Mechanische Energie – Station 10 – Radiergummikatapult

Material: Plastiklineal, zwei unterschiedlich große Radiergummi

Physik im Kontext: Hamburg 17 Mechanische Energie und Leistung Stationen zur mechanischen Energie Übersicht 1 Fallrohr

2 Wagen mit Spannfeder

3 Kugelbahn mit Klotz

4 Auto mit Spannfeder

5 Zugwagen

6 Artistenwippe

7 Drehgerät

8 Ringschleuder

9 Selbstfahrwagen

10 Radiergummikatapult

Physik im Kontext: Hamburg 18 Mechanische Energie und Leistung Hinweis zum Material der Stationen Station 1: Das Material ist das alte IPN-Material zu Klasse 5. Es besteht aus einem Plexiglasrohr, einem Styropurklotz, 3 Fallkörpern aus Eisen und Aluminium, von denen 2 die gleiche Größe und 2 die gleiche Masse haben. Station 2: Schiene, Wagen und Spannfeder stammen von der Staubfigurenfahrbahn. Station 3: Die Schiene ist eine Aluminiumschiene in U-Form. Station 4: Der Wagen (Kinderspielzeug) lässt sich durch Hin- und Herbewegen aufziehen. Station 5: Schiene, Wagen und Umlenkrolle stammen von der Staubfigurenfahrbahn Station 7: Der Kreisel wird an einer festen Stativstange montiert. Station 8: Die Feder muss durch Stauchen gespannt werden können. Die Kupferringe stammen von einem Versuch zur Bestimmung der Flammentemperatur. Station 9: Der Wagen ist selbst gebaut.

Physik im Kontext: Hamburg 19 Mechanische Energie und Leistung

Forschungsauftrag zu springenden Bällen Bezug zum Rahmenplan: Dauer

Wirkungsgrad, Lageenergie, Bewegungsenergie,

Beobachten und Experimentieren, Strategien zur Erkenntnisgewinnung,

Präsentation der Ergebnisse

1 Doppelstunde für den Forschungsauftrag

20 Minuten für die Besprechung

Leitende Fragestellung, Kontext, Problem

Die Schüler sollen einen Forschungsauftrag an realen Bällen ausführen:

- Definition von „Springen am besten“

- Messverfahren festlegen

- Messungen durchführen

- Ergebnisse reflektieren

Methodische Vorschläge

Einstieg

Den Schülern werden Bälle gezeigt mit der Fragestellung: Welche springen am besten?

Erarbeitung

Gruppenarbeit an Hand des Forschungsauftrags

Festigung

Die Ergebnisse werden an Hand der Ausarbeitungen besprochen.

Material

Material:

Forschungsauftrag

Diverse Bälle: Basketbälle, Volleybälle, Tischtennisbälle, Tennisbälle, Federbälle, Flummis, Glasmurmeln, Stahlkugeln

Messlatten, Stoppuhren, Waage, Stativmaterial.

Auch Material, das nicht gebraucht wird, um eine zu große Lenkung zu vermeiden.

Weiteres Material auf Wunsch der Gruppen.

Hinweise: Finden sich im Stundenverlauf der Unterrichtseinheit.

Anhang

Forschungsauftrag.

Der Stundenverlauf der gesamten Unterrichtseinheit ist im Anhang am Ende dokumentiert.

Physik im Kontext: Hamburg 20 Mechanische Energie und Leistung Forschungsauftrag: Bälle springen unterschiedlich gut. Doch welche springen am besten? Das sollt ihr mit unterschiedlichen Arten von Bällen untersuchen. Überlegt euch dazu in eurer Gruppe einen Versuchsaufbau und führt die entsprechenden Messungen durch. Die Aufgabe besteht aus den folgenden fünf Teilen, die alle schriftlich festzuhalten sind. Sie soll heute abgegeben werden und wird bewertet. Dabei kommt es vor allem darauf an, dass ihr eure Definition verständlich und genau formuliert und dass eure Messungen und Ergebnisse sich genau auf diese Definition beziehen. Pro Gruppe genügt ein abgegebenes Exemplar. Denkt bitte daran, die Namen aller Gruppenmitglieder aufzuschreiben. Aufgabe 1. Legt die Definition dessen fest, was ihr sinnvollerweise unter „springen am besten“

versteht.

2. Beschreibt, wie ihr das unterschiedliche Sprungverhalten im Hinblick auf eure Festlegung aus 1 messen wollt. Fertigt dazu auch eine Skizze an.

3. Führt die Messungen durch und stellt die Versuchsergebnisse übersichtlich dar, zum Beispiel in Form einer Tabelle.

4. Stellt eine Reihenfolge für die Ballarten auf.

5. Gebt an, was eurer Meinung nach die Ursache für das unterschiedliche Sprungvermögen ist und wie eurer Meinung nach ein gut springender Ball beschaffen sein sollte.

Physik im Kontext: Hamburg 21 Mechanische Energie und Leistung

Mausefallenauto Bezug zum Rahmenplan: Dauer

Wirkungsgrad, Spannenergie, Bewe-gungsenergie, Energieumwandlungen,

Beobachten und Experimentieren, Strategien zur Erkenntnisgewinnung,

Präsentation der Ergebnisse

Hausaufgabe mit 2 Wochen Bearbeitungszeit.

Eine Doppelstunde für den Klassenwettbewerb und für die Besprechung der Bauprinzipien.

Leitende Fragestellung, Kontext, Problem

Die Schüler sollen zu Hause ein Auto bauen, dass nur mit einer Mausefalle angetrieben möglichst weit fährt.

Methodische Vorschläge

Einstieg

Den Schülern wird ein Mausefallenauto oder ein Bild eines Mausefallenautos gezeigt.

Erarbeitung

Die Bauprinzipien werden diskutiert. Die Schüler bauen in Gruppen das Auto mit der bereitgestellten Mausefalle zu Haus und dokumentieren ihre Überlegungen. Das Auto bringen sie zum Wettbewerb mit.

Festigung

Die Ergebnisse werden nach dem Wettbewerb an Hand der Ausarbeitungen besprochen.

Material

Material:

Arbeitsauftrag. Mausefallen für die Gruppen. Maßbänder für den Wettbewerb.

Hinweise:

Die Aufgabe lässt sich je nach Klassenstufe auch erweitern und variieren. Experimentelle Bestimmung und Minimierung der Reibungskraft, Überlegungen zum Drehmoment o.ä. lassen sich einbauen.

Hinweise zu weiteren Bauaufgaben auch in anderen Gebieten findet man unter dem Stichwort „egg-racing“ u.a. im Artikel „Aufgaben und Wetteifer“ in der Zeitschrift Naturwissenschaften im Unterricht, Physik, Heft 67, Seite 24ff .

Der Wettbewerb lässt sich auch klassenübergreifend organisieren als „Physik-Event“.

Anhang

Bauauftrag.

Der Stundenverlauf der gesamten Unterrichtseinheit ist im Anhang am Ende dokumentiert.

Physik im Kontext: Hamburg 22 Mechanische Energie und Leistung

Aufgabe Mausefallenauto

Diese etwas eigenartigen Fahrzeuge sind Mausefallenautos. Sie werden angetrieben nur durch die Energie einer gespannten Mausefalle. Ein solches Auto sollt ihr allein, zu zweit oder zu dritt bauen. Dazu gelten folgende Regeln

• Um unerlaubtes Tuning, Doping, usw. zu verhindern, darf als einziger Antrieb des Fahrzeugs nur die offiziell ausgegebene Mausefalle verwendet werden.

• Die Mausefalle muss vom konstruierten Fahrzeug über die gesamte Fahrstrecke mittransportiert werden.

• Das Fahrzeug muss im Eigenbau entstehen; es dürfen außer der Mausefalle beliebige Materialien zum Bau verwendet werden.

• Außer der Mausefalle dürfen keine weiteren Energiequellen (z.B. Federn, Gummibänder, Batterien oder weitere Mausefallen) benutzt werden.

• Die Konstruktion ist nicht vorgegeben.

Gemessen wird die Entfernung vom Start bis zum stehen gebliebenen Mausefallenauto. Jede Startergruppe hat 2 Versuche. Der Test erfolgt in der Turnhalle.

Abgabetermin: …….. Im Internet könnt ihr Bilder von Mausefallenautos und Bautipps finden: Bilder von Mausefallenautos von Schul-Wettbewerben:

http://www.gymnasium-dinkelsbuehl.de/hs/fachsch/phproj/mausefalle.htm http://www.bedburg.de/gymnasium/Phy1.htm http://www.nibis.ni.schule.de/~kgswmoor/physik/mausefalle-03-04/page.htm http://www.halepaghen-schule.de/wettbewerbe/Prowopoly/Physik/physik2.htm

Von GEOlino (mit Bautipps): www.geo.de/GEOlino/basteln_experimentieren/basteln/2003_09_GEOlino_mausefallenauto/

Physik im Kontext: Hamburg 23 Mechanische Energie und Leistung

Anhang Die angegebenen Arbeitsblätter und Texte folgen jeweils am Ende der jeweiligen Doppelstunden, wenn sie nicht schon im vorherigen Teil dokumentiert sind. Vorschlag zum Stundenverlauf Der Unterricht ist in Doppelstunden geplant. Das benutzte Buch ist Cornelsen, Physik 1./2. Std. Material: - Stationen zu mechanischer Energie.

• Blätter mit Hinweisen aus Stationen Mechanische Energie (im ersten Teil) zu den Stationen legen

• Das Material zu den Stationen in Plastikkästen legen, diese mit Nummern versehen, größere Teile auf dem Lehrertisch.

Es sollten etwas mehr Stationen als Gruppen vorhanden sein. Zumindest die Stationen 1 – 6 sollten doppelt vorhanden sein. Gruppenarbeit an den Stationen mit Arbeitsauftrag (an die Tafel schreiben) Finde heraus, woher die Energie für die „Tätigkeit“ kommt. Finde heraus, wodurch die Menge der Energie bestimmt wird. Formuliere das Ergebnis in einem oder zwei je-desto-Sätzen. Am besten 2 bis 3 Schüler pro Gruppe. Die Gruppeneinteilung sollte zufällig erfolgen. Verschiedene Stationen, in Zweier- oder Dreiergruppen alle abarbeiten. Wenn einige zu langsam sind, trotzdem beenden. Stationen: 1. Ein fallender Metallzylinder treibt einen Nagel in einen Styroporklotz.

Material: Fallrohr, Nagel, Styroporklotz, 2 Fallkörper unterschiedlicher Masse.

2. Eine gespannte Feder setzt einen Wagen in Bewegung. Material: Staubfigurenfahrbahn, Wagen zur Fahrbahn, Spannfeder.

3. Eine Kugel rollt eine schiefe Ebene hinab und schiebt einen Holzklotz weg. Material: Als schiefe Ebene die alte Optikschiene, Kugel, Holzklotz.

4. Spielzeugautos mit Spannfeder ziehen ein Gewicht hoch. Material: Spielzeugauto, Faden, Umlenkrolle, leichtes Gewicht.

5. Ein Gewicht am Faden beschleunigt einen Wagen. Material: Staubfigurenfahrbahn, Wagen dazu, Faden, Umlenkrolle, leichtes Gewicht

6. Artistenwippe: Ein fallender Radiergummi schleudert eine Münze hoch. Material: Messlatte, 2 Radiergummis, Bleistift, Holzlineal.

Physik im Kontext: Hamburg 24 Mechanische Energie und Leistung 7. Drehversuch mit großem Gerät.

8. Eine gespannte Feder schießt Metallringe nach oben.

Material: Stativfuß, lange Stativstange, kleines Holzbrett mit Bohrung, Feder, Kupferringe.

9. Ein angehobenes Gewicht auf einem Wagen setzt den Wagen in Bewegung.

10. Ein Radiergummi wird durch ein gespanntes Lineal hochgeschleudert.

Die Zeit reicht gut. Eventuell kann man schon mit der Besprechung beginnen.

Physik im Kontext: Hamburg 25 Mechanische Energie und Leistung 3./4. Stunde Material: - Folien von den Stationenaufgabenblättern (im ersten Teil) - Blatt mit Stationenfotos und -nummern für die Schüler und einmal als Folie

Stationen zur Mechanischen Energie Übersicht (im ersten Teil) - Station 7 - Folien mit Bildern zu Energieformen in der Natur - Aufgabe zum Mausefallenauto kopiert für die Schüler Mausefallen_Aufgabe (im

ersten Teil) - Physikbuch Cornelsen Einstieg: Besprechung der Ergebnisse der Gruppenarbeit Ziel der Besprechung ist die Zusammenfassung zum Aufschreiben: Gespannte oder angehobene Gegenstände haben Energie. (Spann- oder Lageenergie). Je größer die Spannung, desto größer ist die Spannenergie. Je größer die Höhe und je größer die Masse ist, desto größer ist die Lageenergie. Station 7 genauer betrachten Dabei Bewegungsenergie erarbeiten: Das Gummiband wird wieder gespannt, die Energie kommt aus der Bewegung. Aufschreiben: Bewegte Gegenstände haben Bewegungsenergie. Je größer die Geschwindigkeit und je größer die Masse ist, desto größer ist die Bewegungsenergie. Beschreibung der Energieumwandlung bei Station 7a: Das Gummiband hat Spannenergie. Das Rad wird beschleunigt. Das bewegte Rad hat Bewegungsenergie. Das Gummiband wird gespannt. Das Gummiband hat Spannenergie. Das Rad wird beschleunigt. … Kürzere Darstellung im Energieflussdiagramm

(SE: Spannenergie, BE: Bewegungsenergie) Aufgabe: Energieflussdiagramme für die übrigen Stationen erstellen. (Evt. kommt es hier schon durch Schüler zum Problem der Wärme durch Reibung. Dann hier ergänzen.)

beschleunigt

spannt beschleunigt

SE BE SE BE

Physik im Kontext: Hamburg 26 Mechanische Energie und Leistung Beispiele für die Energieformen in der Natur: Bilder von alten Wasserrädern, Stauseen, Wasserfällen, alte Windmühle (Folien, selbst erstellen) Beschreiben lassen, welche Energieformen dabei auftreten. Aufgabe zum Mausefallenauto stellen (Aufgabe in Mausefallen_Aufgabe. Ca. 4 Wochen Arbeitszeit zu Hause. Die Aufgabe kann auch später gestellt werden.) Aufgaben

1. Buch Seite 152 Abbildung links unten mit Stabhochspringer. Gib bei jeder Bildnummer die hauptsächliche Energieform an. (Bei 6 nicht eindeutig). Gib an, bei welchem Bild die Bewegungsenergie, bei welchem die Spannenergie und bei welchem die Lageenergie ihren größten Wert hat.

2. Buch Seite 152 Aufgabe 2. (Dachdecken mit Energieausnutzung.) 3. Buch Seite 156 Aufgabe 7 4. Buch Seite 156 Aufgabe 8.

Die Zeit ist etwas knapp.

Physik im Kontext: Hamburg 27 Mechanische Energie und Leistung 5./6. Stunde Material: - Pendel mit schwerer Kugel, Faden, zu befestigen an der Decke. - Versuchsaufbau Pendelversuch mit Bleikugel, 2 Lichtschranken, Zählgerät,

Stativmaterial.

Einstieg: Pendelversuch mit großer Kugel und Schüler: Schwere Eisenkugel an Deckenhaken hängen. Bei einem stehenden Schüler die Kugel bis vor sein Gesicht auslenken (Fadenlänge entsprechend wählen) und loslassen. Daraus: Energieerhaltungssatz Bei allen mechanischen Energieumwandlungen bleibt die Summe der Energie konstant, sofern nicht ein Teil durch Reibungsvorgänge in Wärme umgewandelt wird. (Dass man durch Reibung Wärme erhält, kann man durch Reiben auf dem Tisch oder durch Reifenerwärmung bei Vollbremsung eines Autos deutlich machen.) Überprüfung des Energieerhaltungssatzes durch Messung Dazu benötigt man die Formeln für die Berechnung Bewegungs- und Lageenergie. Diese werden einfach angegeben ohne Herleitung und benutzt. Formel für die Berechnung von Energien: Lageenergie mghW =

Bewegungsenergie 2

2

1mvW =

Je ein einfaches Beispiel vorrechnen, dabei auch einfach angeben: Js

mkgJNm ==

2

2

,

z.B. 1. Ein Schüler (Masse 50kg) ist in einem Haus 6m hochgestiegen. Wie groß ist seine Lageenergie? 2. Ein Auto fährt mit 20 m/s. Es hat die Masse 800kg. Wie groß ist seine Bewegungsenergie? Messversuch: Messung der Lageenergie am höchsten Punkt und der Bewegungsenergie der Kugel am tiefsten Punkt. Aufbau mit kleinerer Kugel auf dem Tisch, Kugel bifilar aufhängen zur Sicherung der Lichtschranke. Messung der Geschwindigkeit durch Zeitmessung mit 2 Lichtschranken an der tiefsten Stelle. (Das ist genauer als die Messung der Verdunkelungszeit mit einer Lichtschranke.)

Physik im Kontext: Hamburg 28 Mechanische Energie und Leistung Vertiefung: - Evt. mit freiem Fall vergleichen, evt. anders

gekrümmte Bahn: Wie weit rollt die Kugel hoch?(Gut wäre hier ein Experiment)

- Galileisches-Hemmungspendel.

- Beim Messversuch von doppelter Ausgangshöhe ausgehen, Messzeit berechnen

und dann experimentell bestimmen. - Rechenaufgaben. - Ein Fadenpendel der Masse 2kg hat an der tiefsten Stelle die Geschwindigkeit

4m/s. Welche Bewegungsenergie hat es am tiefsten Punkt? Welche Lageenergie hat es am tiefsten Punkt? Welche Höhe erreicht es?

- Ein Stein der Masse 1,2kg fällt in einen 20m tiefen Brunnen. Um wie viel nimmt seine Lageenergie ab bis zum Aufschlag in 20m Tiefe? Welche Bewegungsenergie hat er beim Auftreffen? Mit welcher Geschwindigkeit trifft er auf?

7./8. Stunde: Welche Bälle springen am besten? (Forschungsstunde, der Schwerpunkt liegt auf der Methode) Material: - Tischtennisbälle, Basketbälle (ausleihen vom Sport), Volleybälle (ausleihen vom

Sport), kleine und große Flummys, Murmeln, Tennisbälle, Federbälle - Messlatten, Stativmaterial, Stoppuhren, Waagen - Arbeitsauftrag Welche Bälle springen am besten (im ersten Teil) Arbeitsauftrag: Welche Bälle springen am besten 3-er Gruppen, ca. 1 Zeitstunde Arbeitszeit. Am Ende Einsammeln zum Bewerten Das zur Verfügung gestellte Material sollte so vielfältig sein, dass keine starre Festlegung erfolgt. Weiteres Material kann auf Wunsch zur Verfügung gestellt werden. Es bleibt Zeit zur Diskussion der Festlegungen und der unterschiedlichen Ergebnisse. Die Ergebnisse hängen u.a. vom Untergrund, der Definition und der anfänglichen Fallhöhe ab. Tischtennisbälle werden z.B. bei großer Fallhöhe stark gebremst. Festlegungen für gutes Sprungverhalten waren bisher die erreichte Höhe nach dem ersten Ausspringen, die Häufigkeit des Aufspringens, die Dauer des Aufspringens. Bei der Beantwortung der Frage nach der Ursache des unterschiedlichen Sprungverhaltens wird nur erwartet, dass die Festlegung nicht im Widerspruch zu den Messergebnissen steht. Bei der Diskussion wird der Begriff Wirkungsgrad erwähnt, detailliert wird er in einer späteren Einheit behandelt.

Physik im Kontext: Hamburg 29 Mechanische Energie und Leistung 9./10. Stunde: Leistung Material: - Physikbuch Cornelsen - Information Ausgleich von körperlichen Unterschieden im Sport (am Ende dieses

Stundenverlaufs) - Personenwaage - Maßband - Stoppuhr - Arbeitsblatt Aufgaben zur Leistung (am Ende dieses Stundenverlaufs) Einstieg: Nach Physikbuch Cornelsen Aufgabe Seite 147 1a): In der Sportstunde klettern Jörg und Gerd an Tauen 5m hoch. Beide schlagen nach genau 7s in 5m Höhe an. Jörg hat die Masse 49kg und Gerd die Masse 56kg. Der Sportlehrer gibt beiden die gleiche Note. Ist das gerecht? Diskussion dazu Hier kann man auch auf Gewichtsklassen beim Judo, Gewichtheben, Boxen und der unterschiedliche Skilängen bei unterschiedlich schweren Skispringern eingehen. Informationen in Ausgleich von körperlichen Unterschieden im Sport. Erweiterung: Bei einem zweiten Versuch schafft Jörg in 8s 6m und Gerd in 7,5s 5m. Wer ist besser geklettert? (Hier sind die Leistungen 360,5W (Jörg) und 366,2W (Gerd))

Angeben: In der Physik vergleicht man durch die Leistung P. t

WP =

Dabei ist W der Energieumsatz und t die dafür benötigte Zeit. Die Einheit ist

)(WattWs

J=

Versuch: Wer kann am meisten leisten? An der Treppe im Fachhaus einzelne Schüler hoch laufen lassen, Zeit und Masse messen (Personenwaage im Sammlungsschrank), Höhe messen und Leistungen berechnen. Aufgaben vom Arbeitsblatt Arbeitsblatt zur Leistung.

Physik im Kontext: Hamburg 30 Mechanische Energie und Leistung

Zur Information: Ausgleich von körperlichen Unterschieden im Sport

Gewichtsklassen beim Judo (Männer/Frauen)

Extraleichtgewicht, bis 60 kg / 48 kg Halbleichtgewicht, bis 66 kg / 52 kg Leichtgewicht, bis 73 kg / 57 kg Halbmittelgewicht, bis 81 kg / 63 kg Mittelgewicht, bis 90 kg / 70 kg Halbschwergewicht, bis 100 kg / 78 kg Schwergewicht, über 100 kg / 78 kg

Gewichtsklassen beim Boxen

Männer Frauen Klasse Gewichtslimit Klasse Gewichtslimit Minifliegengewicht (WBA/IBF/WBO) Strohgewicht (WBC)

47,627 kg Papiergewicht 46 kg

Juniorfliegengewicht (WBA/WBO) Halbfliegengewicht (IBF) Leichtfliegengewicht (WBC)

48,988 kg Halbfliegengewicht 48 kg

Fliegengewicht 50,802 kg Fliegengewicht 50 kg Superfliegengewicht (WBC/IBF) Juniorbantamgewicht (WBA/WBO)

52,163 kg Bantamgewicht 52 kg

Bantamgewicht 53,525 kg Federgewicht 54 kg Superbantamgewicht (WBC/IBF) Juniorfedergewicht (WBA/WBO)

55,225 kg Leichtgewicht 57 kg

Federgewicht 57,153 kg Halbweltergewicht 60 kg Superfedergewicht (WBC/WBA/IBF) Juniorleichtgewicht (WBO)

58,967 kg Weltergewicht 63 kg

Leichtgewicht 61,235 kg Halbmittelgewicht 66 kg Halbweltergewicht (WBA/IBF) Superleichtgewicht (WBC) Juniorweltergewicht (WBO)

63,503 kg Mittelgewicht 70 kg

Weltergewicht 66,678 kg Halbschwergewicht 75 kg Halbmittelgewicht (WBA/IBF) Superweltergewicht (WBC) Juniormittelgewicht (WBO)

69,85 kg

Mittelgewicht 72,574 kg Supermittelgewicht 76,203 kg Halbschwergewicht 79,378 kg Cruisergewicht 86,183 kg Schwergewicht über 86,183 kg

IBF = International Boxing Federation WBC = World Boxing Council WBA = World Boxing Association

Physik im Kontext: Hamburg 31 Mechanische Energie und Leistung Gewichtheben

Gewichtsklassen

Fliegengewicht, bis 54 kg Bantamgewicht, bis 59 kg Federgewicht, bis 64 kg Leichtgewicht, bis 70 kg Mittelgewicht, bis 76 kg Leichtschwergewicht, bis 83 kg Mittelschwergewicht, bis 91 kg 1.Schwergewicht, bis 99 kg 2.Schwergewicht, bis 108 kg Superschwergewicht, über 108 kg

Regeln

Olympischer Zweikampf, wird in der Reihenfolge Reißen und Stoßen ausgetragen. Die gehobenen Gewichte werden addiert. Falls zwei Athleten das gleiche Gewicht schaffen, so bekommt der leichtere den besseren Platz. Das Körpergewicht wird vor dem Kampf ermittelt.

Beim Reißen muss die Hantel durch Zugbewegung vom Boden nach oben gehoben werden. Beim Stoßen wird zuerst die Hantel zur Brust gehoben und dann in die Hochhalte gestoßen. Jeder Athlet hat drei Versuche. Bei erfolgreichem Durchgang muss eine Steigerung mindestens 2,5 Kilogramm haben. Der Sportler hat 60 Sekunden Zeit zwischen dem Betreten der Bühne und dem Beginn des Hebens. Wenn er zwei Versuche nacheinander zu machen hat, verfügt er über zwei Minuten Vorbereitungszeit. Es gibt drei Kampfrichter, von denen mindestens zwei die korrekte Ausführung bestätigen müssen, damit der Versuch gültig ist.

Der Athlet steht auf einem Holzboden, der eine Dicke von 8 bis 12 cm aufweist. Die Größe beträgt 16 qm

Skispringen Der Body-Mass-Index (BMI) berechnet sich aus dem Körper-gewicht in Kilogramm geteilt durch die Körper-größe im Quadrat.

Die so genannte BMI-Regel wurde im Frühjahr 2004 im Skispringen eingeführt, um den Trend der leichtgewichtigen Skispringer zu stoppen. Im Prinzip ist ein BMI von 18,5 (60kg bei einer Größe von 1,80 m), der laut Weltgesundheitsorganisation als leistungsminderndes Untergewicht bezeichnet wird, die Ausgangsgröße für die neue Regel. Da die Springer mit Anzug und Schuhen, aber ohne Helm und Ski auf der Waage stehen, verändert sich dieser Faktor bei den Wettkämpfen auf 20. Nach dem Sprung werden die Skispringer gewogen. Wird beim Wiegen ein BMI < 20 ermittelt, müssten die Skier in Relation zum fehlenden Gewicht gekürzt sein. Aus den normalerweise zulässigen 146% Skilänge (146% von 1,84m = 2,69m Skilänge) wird dann zulässige Skilänge von 2,65m. Da die Athleten aber mit ihrer "normalen" Skilänge an den Start gehen, führt dann die Verwendung zu langer Skier zur Disqualifikation.

Physik im Kontext: Hamburg 32 Mechanische Energie und Leistung Aufgaben zur Leistung 1. Energieumsatz beim Menschen

Berechne den durchschnittliche Leistung eines Menschen von 16 Jahren in Watt.

2. Leistung eines Sportwagens

Ein Porsche 911 Carrera hat ein Leergewicht von1470 kg. Mit einem Fahrer der Masse 75 kg beschleunigt er in 5,0s von 0 auf 100km/h (Werksangabe).

a. Wie groß ist die Endgeschwindigkeit in km/h? b. Wie groß ist die Bewegungsenergie des Autos mit Fahrer, wenn es die

Geschwindigkeit 100km/h hat? c. Wie groß ist die Zunahme der Energie beim Beschleunigen von 0 auf

100km/h? d. Wie groß ist die durchschnittliche Leistung beim Beschleunigen von 0 auf

100 km/h? e. Warum ist die Leistung beim Beschleunigen von 0 auf 100 km/h geringer als

die vom Werk angegebene Leistung des Autos von 239kW?

3. Unterschiedliche Leistungen Finde die Leistung heraus von

• Menschen (Dauer- und Höchstleistung) • Fahrzeugen • Kraftwerken (Kernkraftwerk, Windrad, Kohlekraftwerk, Wasserkraftwerk,..)

Du kannst z.B. im Physikbuch suchen.

4. Treppenlauf

Von Amerika dringt nun auch zu uns das Treppenlaufen in Hochhäusern. Sehr bekannt ist der längste Treppenlauf am Sears Tower in Chicago (442 m Höhe). Der Sieger schaffte die 103 Stockwerke (2109 Stufen) im Jahre 2004 in 13 Minuten 35 Sekunden. Berechne die „Hubleistung“ des Siegers (m = 65 kg).

5. Faustregel beim Bergsteigen

Bei der Planung von Bergtouren geht man davon aus, dass der normaltrainierte Bergsteiger in der Stunde 300 Höhenmeter schafft. Welche Hubleistung setzt man dabei für einen Bergsteiger mit der Masse 80kg an?

6. PS Bei der Festlegung der veralteten Leistungseinheit PS nahm James Watt im 18. Jahrhundert an, dass ein Pferd in 1s eine Last von 75kg 1m hochziehen kann. Berechne die Leistung in Watt. (Die Dauerleistung eines Pferdes ist geringer, die kurzfristige Höchstleistung größer als 1 PS)

Physik im Kontext: Hamburg 33 Mechanische Energie und Leistung 11./12.Stunde: Mausefallenautowettbewerb Material: - Maßband - Tesakrepp zur Markieren der Startlinie - Arbeitsauftrag zu Mausefallenautos mit Hinweisen auf Internetadressen (verteilt bei

der Stellung der Aufgabe) (im ersten Teil) 2 Versuche pro Auto, den besseren Versuch werten. . Bauideen bei einigen Mausefallenautos erläutern lassen. Sinnvoll ist eine Besprechung oder schriftliche Darstellung der Bauprinzipien wie geringe Reibung, lang andauernder Antrieb, verlängerter Bügel, Parallelität der Achsen und deren Verwirklichung. Dieser Wettbewerb ist auch möglich zu einem früheren Zeitpunkt. Eine Arbeitszeit von 2 Wochen zu Hause ist ausreichend. 13./14.Stunde: Wortfeld zu Energie und Leistung Material: - Arbeitsblatt Wortfeld (am Ende dieses Stundenverlaufs) - große Bögen Papier Diese Doppelstunde dient der Wiederholung und Festigung. In der ersten Stunde bearbeiten die Schüler in Gruppen das Wortfeld. In der zweiten Stunde werden die Ergebnisse vorgestellt und besprochen.

Physik im Kontext: Hamburg 34 Mechanische Energie und Leistung