Grundwissen: Physik (8. Jgst.)

Energie als Erhaltungsgröße

Die Schüler wissen, dass es verschiedene Energiearten gibt die ineinander umgewandelt werden können, und wie sie berechnet werden. Sie kennen das Erhaltungsprinzip als Grundidee des Energiekonzeptes und können damit einfache Probleme auch quantitativ lösen.

Aufgabenbeispiel: Robin Hood spannt seinen Bogen (D = 400 N/m) um 50 cm und schießt seinen Pfeil (m=200g) senkrecht in die Luft, so dass dieser die Höhe h erreicht. (Reibungsverluste sollen im Folgenden nicht berücksichtigt werden). Wie viel Energie ist in Robin Hoods gespanntem Bogen gespeichert? Mit welcher maximalen Geschwindigkeit fliegt der Pfeil nach oben, wenn sich der Bogen entspannt hat? Wie hoch fliegt der Pfeil?

Die Schüler wissen, dass es kein Perpetuum mobile gibt, da bei realen Prozessen mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird; die Höhe der Energieentwertung wird durch den Wirkungsgrad bestimmt. Sie wissen, dass zur Änderung eines Energiezustandes Arbeit verrichtet wird (W = ^E) wobei die goldene Regel der Mechanik beachtet werden muss; sie können verschiedene Kraftwandler beschreiben und die benötigte Leistung berechnen.

Aufbau der Materie und Wärmelehre

Die Schüler können den Aufbau der Materie und die Änderung von Aggregatzuständen im Teilchenmodell erklären.

Sie wissen, dass die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der ungeordneten Bewegung der Materiebausteine ist. Änderungen der Temperatur oder des Aggregatzustands sind mit Änderungen der inneren Energie verbunden.

Aufgabenbeispiel: Auf einer Herdplatte steht ein Topf mit 850 ml Wasser der Temperatur 20°C. Das Wasser soll vollständig verdampft werden. Zeichne zunächst ein Energieflussdiagramm und skizziere das Zeit – Temperatur – Diagramm für diesen Vorgang. Berechne wie viel Energie nötig ist, um das Wasser vollständig zu verdampfen. Die Herdplatte gibt an das Wasser in jeder Sekunde 1000 J ab. Wie lange dauert es, bis das Wasser vollständig verdampft ist?

Die Schüler kennen verschiedene Temperaturskalen und deren Bedeutung. Sie können das Verhalten von Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern bei Temperaturänderung beschreiben.

Elektrische Energie

Sie kennen den Zusammenhang zwischen der elektrischen Ladung und der Stromstärke. Mit Hilfe der Maschenregel, der Knotenregel und des Ohm´schen Gesetzes können sie Stromstärke, Spannung und elektrischen Widerstand bei einfachen Anwendungen (z. B. Reihen- und Parallelschaltung) berechnen.

Die Schüler können die Begriffe elektrische Energie und Leistung auf einfache Beispiele aus der Technik anwenden. Sie wissen, wie elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird und haben einen Überblick über Energieversorgungssysteme.

Sie sind sich der Auswirkungen heutiger Systeme auf die Umwelt bewusst und haben einen Überblick über mögliche Zukunftsperspektiven.

Aufgabenbeispiel: Anne hat zwei Lämpchen L1 und L2, einige Kabel sowie eine 4,5V-Batterie. Beide Lämpchen sind für eine 4,5V-Batterie geeignet. Anne möchte, dass beide Lämpchen gleichzeitig leuchten, was sie mit einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung erreichen kann.

1. Zeichne jeweils das zugehörige Schaltbild
2. Entscheide und begründe, ob bei der Reihenschaltung durch beide Lämpchen der gleiche Strom fließt oder nicht. L1 hat in dieser Schaltung den Widerstand R1=100 Ohm, L2 hat dort den Widerstand (R2=150 Ohm)
3. Berechne die Gesamtstromstärke und den Gesamtwiderstand bei der Reihenschaltung
4. Entscheide und begründe, ob bei der Parallelschaltung durch beide Lämpchen der gleiche Strom fließt oder nicht, wenn man annimmt, dass auch in der Parallelschaltung L1 den kleineren Widerstand besitzt.
5. Welches der beiden Lämpchen leuchtet in der Parallelschaltung heller, welches in der Reihenschaltung?