Thema im 1. Halbjahr sind Kräfte und ihre Wirkungen: die Mechanik. Insbesondere bei Geräten und Maschinen des Alltags, die uns Menschen das Leben erleichtern, zeigt sich die Anwendung von physikalischem Wissen.

Im zweiten Halbjahr werden wir die zahlreichen Wirkungen von elektrischen Strom untersuchen. Auch hier werden wir die Anwendungen im Alltag fest im Blick haben.

Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen

Eine auf einen Körper einwirkende Kraft erkennt man an ihren Wirkungen. Sie kann eine Änderung seines Bewegungszustandes bewirken, d.h. der Körper wird schneller oder langsamer. oder ändert seine Bewegungsrichtung. Eine Kraft kann aber auch eine Verformung bewirken. Eine bleibende Verformung nennt man plastische Verformung, eine nach Krafteinwirkung verschwindende ist eine elastische Verformung. Beispiel für eine elastische Verformung ist die Dehnung eines Gummibandes während der Wirkung der Kraft F. Buch S. 126!

Die Größe einer Kraft F wird in der Einheit Newton (N) angegeben.

Die Masse einer Tafel Schokolade ist 100 g. Auf der Erde wirkt auf die Tafel Schokolade die Erdanziehungsskraft von ca. 9,81 m pro s hoch 2, gerundet 10 m pro s hoch 2. Deshalb übt die Tafel Schokolade eine Gewichtskraft von 1 N aus, wenn sie in deiner Hand liegt. Buch S. 136!

Eine Masse von 100 g entspricht auf der Erde einer Gewichtskraft von 1 N.

Zur Messung der Gewichtskraft werden Kraftmesser eingesetzt. Oft sind diese in Masseeinheiten (kg) geeicht, obwohl die Gewichtskraft eigentlich in Newton angegeben werden müßte!

Das Hookesche Gesetz: der Zusammenhang zwischen angewendeter Kraft und Verformung

Dieser Gummiband-Kraftmesser hatte allerdings einen Nachteil. Die Abstände zwischen den Strichen sind nicht gleichmäßig, da sich das Gummiband nicht gleichmäßig (also linear-elastisch) verformt! Deshalb wird in professionellen Kraftmessern eine Stahlfeder verwendet.

Virtuelles Experiment mit einer Stahlfeder

Bei einer Stahlfeder ist die Längenveränderung direkt proportional zur Krafteinwirkung. Bei doppelter Krafteinwirkung wird eine Stahlfeder auch doppelt so stark gedehnt. Dies hat schon der englische Gelehrte Hook erkannt. Nach dem von ihm formulierten Hookschen Gesetz gilt :

Hierin ist F= Kraft, D = stofftypische Verformungskonstante und 

delta l die durch die Kraft erzeugte Längenänderung der Feder.

Buch S. 129!

Außerdem haben wir beim Seilziehen gesehen, dass Kräfte immer auch einen Angriffspunkt und eine Wirkrichtung haben. Eine Kraft wird daher in der Physik oft durch Pfeile dargestellt. Die Länge des Pfeils stellt die Größe (Betrag) der Kraft dar, die Richtung dagegen die Wirkungsrichtung. Wirken zwei gleich große Kräfte in exakt entgegengesetzter Richtung, so heben sie sich auf, wie oben im Bild (Chinaaustauschschüler zu Besuch bei der Junior Highschool in Tangxia 2012). Buch S. 126-127 und 130-131!

Quelle: http://www.gigers.com/matthias/schule/physik_mechanik_kraefte_darstellung.pdf

Eine Kraft kann auch in zwei Bestandteile aufgespalten werden. Man nennt dies Kräftezerlegung. Die entstehenden Teilkräfte wirken dann mit unterschiedlicher Stärke und in unterschiedliche Richtungen. Die Kräftezerlegung kann ebenfalls mit dem Kräfteparallelogramm dargestellt werden.

Als Beispiel hierfür habt ihr im Schülerversuch ein 1 N (100g) Gewicht an ein zwischen zwei Kraftmessern hängendes Seil gehängt. Ihr habt dann die Kräfte gemessen, die jeweils an den Kraftmessern angezeigt wurden. Bei symmetrischer Lage des Gewichtes in der Mitte des Seiles zeigten beide Kraftmesser ungefähr 0,5 N an. Bei asymmetrischer Lage zeigte der Kraftmesser jeweils mehr an, der dem Gewicht am nächsten war. Bei einer Position von ca. 4/5 Seillänge zum rechten und 1/5 Seillänge zum linken Kraftmesser zeigte der linke ca. 0,8 N an, während der entferntere rechte Kraftmesser nur noch 0,2 N anzeigte. Die Gewichtskraft wird also entsprechend der Position auf die beiden Kraftmesser aufgeteilt.

Die Kräfte lassen sich graphisch durch die so genannte Kraftzerlegungsmethode mit einem Kräfte-Parallelogramm ermitteln. Eine Arbeitsvorschrift dazu findest du in deinem Physikordner! Die folgenden Bilder zeigen wie es gemacht wird. Mehr dazu bei LEIFI-Physik (und LEIFI) und in deinem Buch S. 131. KLICK AUF DIE BILDER FÜR EINE VERGRÖßERTE DARSTELLUNG !

Ein Mitschüler hat einen Kommentar zum Unterricht geschrieben: siehe Eintrag #284 und meine Antwort in Eintrag #285 im Gästebuch.

Actio und Reactio

Wir haben einen von euch auf ein Skateboard gestellt und ihn dann einen Rucksack wegwerrfen lassen. Er bewegte sich in die entgegen gerichtete Richtung des weggeworfenen Rucksacks. Zu jeder Kraft gibt es eine gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft: actio = reactio.

Stehen zwei Schüler jeweils auf einem Skateboard und halten ein Seil und einer der beiden zieht am Seil, so bewegen sich beide Schüler. Sie bewegen sich aufeinander zu, obwohl der zweite Schüler das Seil "nur" festhält. Buch S. 132!

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 solltet im Schülerversuch den Zusammenhang zwischen Hebellänge und Kraft beim zweiarmigen Hebel quantitativ (mengenmäßig) erforschen. Zweiarmige Hebel kennen wir alle von den Wippen auf dem Kinderspielsplatz. Leider haben sich doch recht  viele Schüler nicht besonders viel Mühe bei der Umsetzung dieses Schülerversuchs gegeben. Da mir bei der Ergebnissammlung kaum brauchbare Werte angeboten wurden, habe ich die Messreihe selbst noch einmal auf dem Lehrertisch durchführen müssen   :- (   .

Lastarm ------------------O----------------- Kraftarm (mit Federwaage)

mit Gewicht

Bei den Hebeln ist jeweils der Abstand vom Gewicht oder der Federwaage zum Drehpunkt angegeben.

Sind der Lastarm und der Kraftarm gleich lang, so ist zu Heben eines Gewichts von 100g erwartungsgemäß eine Kraft von 1 N erforderlich. Die erforderliche Kraft wird gleichmäßig kleiner, wenn der Lasthebel verkürzt wird. Wird dagegen der Krafthebel verkürzt, so wird mehr Kraft zum Heben des Gewichts benötigt. Auch mit einem 200 g Massestück lässt sich dies beobachten. Kleinere Abweichungen von den Idealwerten beruhen natürlich auf Messfehler. 

Befindet sich der Balken in der Waagrechten, dann sind die auf beiden Seiten des doppelarmigen Hebels (Balkens) wirkenden Kräfte gleich groß:

F (Lastarm) = F (Kraftarm).

Es gilt: Last * Lastarm = Kraft * Kraftarm, also

F (Gewicht) * Länge des Lastarms = F (Kraftmesser) * Länge des Kraftarms .

Übung am Computer

Video-Link zur Hebelwirkung beim zweiseitigen Hebel

Rolle der Rollen bei einfachen Lasthebemaschinen

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

Flaschenzug Übung

LINKTIPPS:

Leifi-Physikseiten zum Thema Kraft

Kräfte: Wissens-Abfrager zum Üben

FUN: Schwebender Magnet im eigentlich nicht-magnetischem Kupfer

Auftrieb:

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/auftrieb-und-luftdruck

http://sbgv1.orf.at/magazin/leben/freizeittipps/stories/165614/index.html

https://www.youtube.com/watch?v=vKu6_H94ns4

Was versteht man unter Druck?

Druck bezeichnet die auf eine Fläche wirkende Kraft. Folglich ist der Druck p = Kraft / Fläche und könnte in N·m⁻² angegeben werden. Man benutzt jedoch die neue Einheit Pascal. 1 Pascal = 1 Pa = = 1 N·m⁻² . Weitere Informationen in deinem Physikbuch!!!

Wir vergessen oft die Bedeutung von Elektrizität für unser tägliches Leben, da wir eine sichere Stromversorgung geniessen und bei uns Strom immer zur Verfügung steht. Erst wenn unsere Stromversorgung einmal ausfällt oder wir an einem Ort ohne Stromversorgung sind, merken wir, wo überall Strom in unserem Alltag zur Anwendung kommt.

LINKTIPP: Elektrizität und einfache Stromkreise

Ihr haben zum Einstieg mit einer Zitrone oder Orange und zwei unterschiedlich edlen Metallen eine einfache Stromquelle gebaut - eine Batterie aus Zitrusfrüchten ! Ihr habt Spannungen bis ca. 1 V gemessen. Der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom wurde geklärt.

Wer strömt eigentlich beim elektrischen Strom? Elektronen, sehr kleine, negativ geladene Teilchen.

Als nächstes habt ihr Kenngrößen des elektrischen Stroms, die in Volt (V) gemessene Spannung und die in Ampere (A) gemessene Stromstärke kennen gelernt und durch Modelle anschaulich gemacht bekommen.

Ihr habt außerdem den Aufbau eines einfachen Stromkreises und das Darstellen mittels Schaltbild gelernt. Dabei habt ihr mit die Symbole für Schalter, Spannungsquellen, Glühlampen, Motoren und Messgeräte gelernt.

Wir haben die Charakteristika der Reihen- und Parallelschaltung erforscht und die Spannung und Stromstärke bei unterschiedlichen Situationen in diesen Schaltkreisen gemessen.

Mit Experimenten habt ihr festgestellt, dass nur wenige Stoffe den elektrischen Strom leiten: Metalle wie Kupfer, Zink, Eisen, Gold .... , das Nichtmetall Graphit (ein besondere Form von Kohlenstoff, die z.B. in der Bleistiftmine Verwendung findet) und Salzwasser. Festes Salz, Glas, Plastik, Holz, Papier, Gummi ..... leiten elektrischen Strom nicht. Mit einem empfindlichen Messgerät konnten wir bei Leitungswasser eine sehr geringe Leitfähigkeit messen, die durch im Leitungswasser gelöste Salze verursacht wird.

Der elektrische Widerstand und das Ohmsche Gesetz

Bei einem anderen Versuch haben wir folgendes beobachtet: Je mehr Salz wir in Wasser gegeben haben, desto mehr Stromstärke beobachteten wir bei konstanter Spannung. Die Leitfähigkeit nimmt zu oder anderes herum betrachtet scheint im Stromkreis weniger Widerstand gegen den Stromfluss zu existieren. Je mehr Glühlampen wir bei paralell schalten, desto mehr Stromstärke ist messbar: ungefähr die x-fache Stromstärke bei x Glühlampen. Die Spannung wird dabei kleiner.

Diese Zusammenhänge erkannte auch Georg Simon Ohm. Er formulierte das nach nach ihm benannte Gesetz: U = R x I  mit R= Widerstand, U = Spannung, I = Stromstärke.

LERNSPIEL ZUM THEMA

LINKTIPP: Modell für den elektrischen Widerstand

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)

http://ksf-bauer.jimdo.com/