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Schuljahr 2014/2015: H8a

1. Wärmelehre: Was ist Wärme und wie verhalten sich Materialien beim Erwärmen?

2. Elektrolehre: was ist Strom, wie verhält er sich und was kann er bewirken?

3. Mechanik: Bewegungen von Körpern und Wirkungen von Kräften folgen bestimmten Regeln, die ihr kennen lernen sollt.

Schuljahr 2015/2016: H9a

1. Bewegung und Geschwindigkeit

Wärmelehre

Was geschieht beim Erwärmen eines Gases? Für einen vergößerte Darstellung bitte auf die Fotos klicken.

Wärme lässt sich übertragen

Erhitzt man einen Stein auf dem Teclubrenner und legt ihn in kaltes Wasser so beobachtet man eine Erhöhung der Wassertemperatur: das kalte Wasser wird durch den heißen Stein wärmer. Wärme geht freiwillig immer nur vom heißeren auf den weniger heißen Körper über.

Wärme lässt sich auf unterschiedliche Wege übertragen, z.B.

durch Wärmeleitung. Wärmeleitung erfordert den Kontakt der unterschiedlich warmen Körper. Über die Berührungsfläche fließt die Wärme vom wärmeren zum kälteren Körper. Beispiel: ein Topf auf einer Herdplatte. Unterschiedliche Materialien leiten Wärme unterschiedlich gut. In unserem Experiment erwärmte sich das flammenabgewandte Seite der Metallstange deutlich schneller als die Glasstange, wenn man sie in die Gasflamme hielt. Deshalb werden Topfgriffe aus Porzellan, Plastik oder Holz gefertigt, statt aus Metall! Schlechte Wärmeleiter nennt man Isolatoren.

Weitere Experimente zeigten uns, dass Wärme auch durch die Wärmemitführung eines Transportmittels (z.B. Wasser, Luft bei der Raumheizung) transportiert und mittels Wärmestrahlung sogar durch leeren Raum (z.B. auf dem Weg von der Sonne zur Erde durch das Weltall) übertragen werden kann. Für letzteres sind das uns wärmende Sonnenlicht oder das Licht einer Rotlicht-Lampe gute Beispiele.

Temperaturmessung

Unser Sinn für Temperatur arbeitet nur vergleichend. Die absolute Temperatur kann er nicht ermitteln. Deshalb wirkt Wasser für uns gleichzeitig warm (linke Hand) und kalt (rechte Hand), wenn wir zuvor die linke Hand in sehr kaltes Wasser und die rechte Hand in schön warmes Wasser gehalten haben und dann beide in Wasser mit 25°C halten.

Zum Feststellen der Temperatur benutzt man Thermometer. Ein einfaches Flüssigkeitsthermometer nutzt die Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit zur Messung der Temperatur. Zur Eichung wird bei der Celsius-Skala der Gefrier- (0°C) und der Siedepunkt (100°C) von Wasser benutzt. Den Abstand zwischen den beiden Punkten teilt man in 100 Schritte auf, die 1°C genannt werden.

Die Kelvinskala startet am absoluten Nullpunkt der Temperatur, der bei der Celciusskala bei -273,15°C liegt. Dann sind 0°C = 273,15 K (Kelvin) und 100°C = 373,15 K.  

Wärme bewirkt die Ausdehnung von Materialien

In verschiedenen Experimenten haben wir erkannt, dass Materialien sich beim Erwärmen ausdehnen. Das Volumen eines Gasballons steigt, Flüssigkeiten nehmen beim Erwärmen mehr Platz ein und ein Metallrohr wird länger, wenn man es erhitzt (Versuch dazu). Die Stärke der Ausdehnung ist abhängig von der Metallsorte: Aluminium dehnt sich mehr aus als Kupfer und Kupfer dehnt sich wiederum mehr aus als Eisen.

Dies ist zu beachten beim Bau von Brücken, Eisenbahngleisen, Stromleitungen ...

Sind zwei Metalle mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung miteinander verbunden, so kann sich der dadurch gebildete Bimetallstreifen beim Erwärmen verbiegen, siehe http://www.zum.de/dwu/depot/pwl208f.gif. Beim Abkühlen nimmt er langsam wieder seine ursprüngliche Form ein. Dies nutzt man in automatischen, temperaturempfindlichen Schaltern zur Temperaturregelung bei Bügeleisen, zum Überhitzungsschutz beim Haarfön, Abschalten eines Wasserkochers ....

LERNKONTROLLE AM MON. 8.12.2014

Die Physik-Lernkontrolle ist sehr schlecht ausgefallen: 0x Note 1, 1x Note 2, 0x Note 3, 3x Note 4, 7x Note 5, 4x Note 6. Durchschnitt 4,87 , 73% negative Noten.
Die Lernkontrolle wurde heute im Unterricht besprochen und gemeinsam korrigiert. Einige der Schülerinnen und Schüler haben nicht mitgeschrieben und stattdessen den Unterricht gestört. Hier können Sie sehen, wie wenig schwierig die Lernkontrolle war, denn die Themen wurden im Unterricht ausführlich besprochen (siehe oben):

Die negativen Ergebnisse vieler Schüler der H8a sind ganz klar auf mangelnde Lern- und Anstrengungsbereitschaft zurückzuführen.

DIE LERNKONTROLLE WIRD AM 12.1.2015 WIEDERHOLT.

Was ist elektrischer Strom und was strömt da eigentlich?

Im geschlossenen Stromkreis wandern elektrische Ladungsträger, die negativ geladenen Elektronen, vom Minuspol zum Pluspol der Stromquelle.

Wie sollte ich mir dies vorstellen?   Schau dir dazu diese Animation an.

Bei einer Unterbrechung des Stromkreises (durch Durchtrennen eines Kabels oder betätigen eines Schalters) oder Erschöpfung / Entladung der Batterie kommt der Stromfluss zum Erliegen.

Zum Verstehen von Strom wird oft ein Wassermodell (Lösungsblatt dazu) benutzt. Der Wasserdruck an einem Staudamm ist umso größer, je höher das Wasser aufgestaut steht. Wasser fliesst nur solange es einen Wasserstandsunterschied gibt. Steht das Wasser auf beiden Seiten gleich hoch, so strömt das Wasser nicht. Beim elektrischen Strom entspricht dem Wasserdruck die Spannung (gemessen in V = Volt). Die Spannung ist also praktisch der "Elektronendruck". Die Stromstärke (gemessen in A = Ampere) gibt eine Aussage, wie viele Elektronen pro Zeit an einer Messstelle vorbei fliessen, entsprechend dem Durchflussvolumen im Wassermodell (Durchflussvolumen = Wassermenge pro Zeit an einer fetsgelegten Stelle).
Bei einer Spannung von 0V (z.B. Batterie entladen / erschöpft) fliesst kein Strom, also ist die Stromstärke 0A!

Video-Link: Elektrischer Strom, was ist das?

Manuel hat dann einen funktionierenden Stromkreis mit Stromquelle (Batterie), Kabeln, Glühlampe und Schalter gebaut und ihr habt das Zeichnen eines Schaltkreisschemas und die Symbole dazu kennen gelernt.

Mit diesem einfachen Stromkreis habt ihr dann verschiedene Materialien geprüft, ob sie stromleitend sind, oder aber den elektrischen Strom NICHT leiten. Kupfer, Eisen, Aluminium und alle anderen Metalle, Salzwasser und Graphit (eine spezielle Form von Kohle) leiten den elektrischen Strom. Reines Wasser, Glas, Holz, Plastik, Gummi, Papier, Stoff dagegen leiten den elektrischen Strom sehr schlecht (reines Wasser) oder überhaupt NICHT.

Materialien, die den elektrischen Strom NICHT leiten bezeichnet man als elektrische Nichtleiter oder ISOLATOREN.

Reihen- und Parallelschaltung

Ein zweites Glühlämpchen kann auf zwei verschiedene Arten in einen Stromkreis eingebaut werden: 1. unabhängig vom ersten in einem zweiten Stromkreis = parallel zum ersten Stromkreis, oder 2. hinter das Erste im gleichen Stromkreis = in Reihe (Reihenschaltung). Typisch für die erste Schaltung ist, dass dann beide Lämpchen so hell leuchten wie das erste Glühlämpchen und beim Herausschrauben von einer Glühlampe die zweite Glühlampe immer weiter leuchtet. Bei der Reihenschaltung leuchten die beiden Lämpchen deutlich weniger stark als eine alleinige Glühlampe. Zudem gehen immer beide Lampen aus, auch wenn nur eine der beiden Glühlämpchen herausggedreht wird.

Kurzschluss

Als Kurzschluss bezeichnet man eine direkte Verbindung der beiden Pole einer Spannungsquelle OHNE einen Stromumwandler, wie z.B. eine Glühlampe. Durch den niedrigen Widerstand fließt der Strom dann hauptsächlich über diese Weg. Parallel zum Kurzschluss geschaltete Glühlämpchen leuchten nicht oder nur sehr schwach.

Wechselschaltung

Bei der Wechselschaltung mit zwei Schaltern kann man ein Gerät an jeden der beiden Schalter unabhängig vom anderen Schalter ein- und ausschalten.

Lernkontrolle Physik  am Don. 28. Mai 2015

Magnetische Wirkungen des elektrischen Stroms

Die Leiterschaukel (interaktive Animation)

Wie funktioniert ein Elektromagnet? - Herstellung

Wie funktioniert ein Elektromagnet? -Erklärung

Induktion: Bei Bewegung von Elektronen (z.B. die Elektronen einen Eisenstuecks) im Magnetfeld einen Permanentmagnetens oder einer Spule entsteht Strom (Animation).

Strommessung bei der Drehung eines Magneten durch das Magnetfeld einer Spule (Animation): Es entsteht Wechselstrom !!

Wie funktioniert ein Elektromotor? (Animation)

Mittels Magnetfeldern kann aus elektrischen Strom Bewegung erzeugt werden

Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Über die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eines Permanentmagneten, je nach Ausrichtung entstehen abstossende oder anziehende Kräfte, kann man mit elektrischen Strom Bewegung erzeugen. Dies ist die Grundlage für den Bau von Elektromotoren und Generatoren.

Aus einem Korken, lackiertem Kupferdraht, einem Permanentmagneten und etwas Kleinmaterial läßt sich sehr einfach ein primitiver Elektromotor bauen:

Bewegung und Geschwindigkeit

Zum Einstieg haben wir eine Metallkugel auf einer Rampe losgelassen und beobachtet. Das Verhalten der Kugel haben wir durch Messung der Wegstrecke und erforderlichen Zeit festgehalten.

Verändert ein Körper seinen Ort, so spricht man von einer Bewegung. Dabei wird eine bestimmte Strecke s in einer bestimmten Zeit t zurückgelegt. Die Ortsänderung erfolgt mit einer bestimmten Geschwindigkeit v. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit muss man die Wegstrecke s zwischen Anfangs- und Endort und die für den Ortswechsel erforderliche Zeit t messen: v = s / t . Mit dieser Formel kann man Geschwindigkeitsberechnungen machen und den bei einer bestimmten Geschwindigkeit in einer bestimmten Zeit zurückgelegten Weg berechnen.

Man kann zum Beispiel ausrechnen, welchen Weg ein Autofahrer im "Blindflug" in der Zeit zurücklegt, während der er eine SMS auf seinem Handy liest oder tippt und was eventuell geschieht - siehe Film.

Beispiel: Geschwindigkeit v = 100km/h = 27,78 m/s, Lesezeit 5s Berechnung mit s = v * t = 27,78 m/s * 5 s = 138,8 m !!!

Weg-Zeit-Diagramme

Bei graphischer Darstellung der Bewegung haben wir gesehen, dass die Geschwindigkeit durch die Steigung im Weg-Zeit-Diagramm wiedergegeben wird. Man unterscheidet die Momentangeschwindigkeit (Tangente = Gerade mit einem Berührungspunkt an der Kurve) und die Durchschnittsgeschwindigkeit (Steigung einer zwei Punkte verbindenden Gerade).

LINKTIPP: Verschiedene Arbeitsblätter zum Thema mit Lösungen

Der freie Fall

Ohne Luft und die mit ihr verbundene Luftreibung fallen ein Hammer und eine Feder im Kraftfeld der Erde und des Mondes gleich schnell zu Boden. Mit Atmosphäre erreicht der Hammer vor der Feder den Boden, da der Luftwiderstand die Feder bei Fall bremst. Die unterschiedliche Masse spielt beim Fall von Feder und Hammer keine Rolle!

Negative Beschleunigung = Bremsen

Beim Bremsvorgang beim Auto findet ebenfalls eine gleichmäßige Beschleunigung statt, allerdings mit abnehmender Geschwindigkeit.

Verschiedene Faktoren beeinflussen den Bremsvorgang und den Anhalteweg eines Fahrzeuges, siehe

Animation

Gleicher Effekt mit weniger Kraft: Hebelwirkung

Beim Öffnen einer Tür kann man schon die Bedeutung der Hebelwirkung erfahren: drückt man auf der Schanier-abgewandten Seite, so lässt sie sich mit wenig Kraftaufwand öffnen. Drückt man dagegen in Schaniernähe gegen die Tür, so benötigt man sehr viel mehr Kraft. Je länger der Hebel, desto weniger Kraft ist erforderlich um die gleiche Gewichtskraft zu bewegen.

Ihr habt im Schülerversuch den Zusammenhang zwischen Hebellänge und Kraft beim einseitigen Hebel quantitativ (mengenmäßig) erforscht. Beim einseitigen Hebel befinden sich Last- und Kraftarm auf der gleichen Seite vom Drehpunkt. Der Lastarm ist der Abschnitt vom Drehpunkt bis zur Anbringung der Last, der Kraftarm ist der Abschnitt vom Drehpunkt bis zur Anbringung des Federkraftmessers. Ihr habt eine Masse von 60g an verschiedenen Entfernungspunkten (10 Stück mit jeweils 2,5 cm Abstand) zum Drehpunkt befestigt und die benötigte Kraft für das Gleichgewicht gemessen. Der Federkraftmesser verblieb die ganze Zeit an der gleichen Stelle befestigt, nämlich 25 cm entfernt vom Drehpunkt. Ergebnis: Die benötigte Kraft steigt gleichmäßig immer mehr bis auf einen Maximalwert von 0,6N (entsprechend 60g) an.

Die Kraft am Lastarm ist proportional zur Gewichtskraft (Masse) x Abstand zum Drehpunkt

Zweiseitige Hebel kennen wir alle von den Wippen auf dem Kinderspielsplatz. Hier befinden sich der Last- und der Kraftarm auf entgegengesetzten Seiten vom Drehpunkt:

Lastarm ------------------O----------------- Kraftarm mit zweitem Gewicht

mit Gewicht

Im Schülerexperiment zeigte sich, dass die Wippe immer dann im Gleichgewicht war, wenn folgendes zutraff:

Kraft F1 x Abstand zum Drehpunkt l1 = Kraft F2 x Abstand zum Drehpunkt l2

F1 x l1 = F2 x l2

Diesen Zusammenhang nennt man das Hebelgesetz.

Übung am Computer

Video-Link zur Hebelwirkung beim zweiseitigen Hebel

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/einfache-maschinen#Flaschenzug

Flaschenzug Übung

FAZIT: Nach der GOLDENEN REGEL der Mechanik lässt sich Arbeit nicht einsparen. Eine bestimmte Arbeit lässt sich nur leichter machen, indem eine Maschine, z.B. ein Flaschenzug, die hierbei aufzuwendende Kraft veringert. Dann wird aber der Weg (gezogene Seillänge, Wegstrecke zum Gipfel eines Berges) entsprechend länger, denn           Arbeit = Kraft x Weg .

Wirken mehrerer Kräfte an einem Wirkort: Kräfteaddition

Außerdem haben wir am Beispiel das Spiel der Kräfte beim Seilziehen und beim Ausführen von zwei Hunden durch einen Menschen betrachtet. Die resultierende Gesamtkraft läßt sich graphisch ermitteln. Wie dies geht habt ihr im Unterricht gelernt.

Hier kannst Du Dir dies noch einmal in einer Animation ansehen:

Animation zur Kräfteaddition an Beispiel Frachtschiff und zwei Schlepper

Vorbereitungsblatt Physiktest

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