Arbeitsblatt: Mechanik/Wärmelehre

Physik Lehrgang •Allgemeines •Mechanik 1 •Wärmelehre 1 Dieser Lehrgang gehört: 7.Klasse INHALTSVERZEICHNIS EINFÜHRUNG 1.Allgemeines4 1.1. Naturwissenschaften. 4 1.2. Was ist Physik?. 4 1.3. Physikalische Grundeinheiten.5 1.4. Wissenschaftliches Arbeiten. 6 2. Geschwindigkeit 7 2.1. Versuch-Diagramm-Ergebnis7 2.2. Formel,Einheiten. 8 2.3. Aufgaben. 8 2.4. Lichtgeschwindigkeit 10 2.5. Überschallgeschwindigkeit 10 3. Dichte . 10 3.1. Versuch 10 3.2. Formel, Einheiten 11 3.3. Aufgaben 12 3.4. Dichtetabelle 13 3.5. Archimedes und die beiden Königskronen 13 4.Energie . 15 4.1. Begriff 15 5.Wärme-Energiekraftmaschinen . 16 5.1. Prinzip einer Wärmemaschine 16 5.2. Zweitakt-Motor 16 5.3. Viertakt-Motor 18 5.4. Dieselmotor 19 5.5. Vergleich Benzinmotor Dieselmotor (4-Takt) 20 entworfen und gestaltet von 1995 v1,1997 v2, 2005 v3 alle Kopierrechte bei E.Reinhard, Langenthal, Okt. 2005 7.Klasse 1.Allgemeines 1.1. Naturwissenschaften Die Naturwissenschaften sind die Wissenschaften der belebten und unbelebten Natur. Name Beschreibung Anatomie Anthropologie Astronomie Archäologie Biologie Botanik Chemie Geographie Geologie Meteorologie Mineralogie Naturkunde Zoologie (Mathematik) 1.2. Was ist Physik? Physik ist die Wissenschaft von den Erscheinungen in der unbelebten Natur Die Physik hat 6 Disziplinen • Mechanik • Wärme • Akustik • Optik • Elektrizität • Kernphysik NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 Beispiel € Seite 4 7.Klasse Mechanik-1 Du siehst verschiedene Bilder und Symbole. Zu welcher Disziplin der Physik gehören folgende Abbildungen? Notiere die Nummern Wärme -2 Akustik -3 Optik -4 Elektrizität -5 Kernphysik -6 1.3. Physikalische Grundeinheiten Grösse Messgeräte Einheit Abkürzungen Kraft Kraftmesser Newton Temperatur Thermometer Kelvin K Lichtstärke Lichtmesser Candela cd Stoffmenge Waage Mol mol Stromstärke Amperemeter Ampere Spannung Voltmeter Volt Länge Masse Zeit NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 5 7.Klasse 1.4. Wissenschaftliches Arbeiten Immer wieder treffen wir in unserem Alltag auf sonderbare physikalische Erscheinungen. Wir fragen uns z.B. über eine Fata Morgana, über den Regenbogen, den Überschallknall und vieles mehr. Diese und andere Fragen haben sich schon viele Menschen vorher gestellt. Entweder sind sie durch Bücherlesen oder vielleicht sogar durch eigene Versuche zu einer Antwort gekommen. Viele berühmte Physiker wie Kepler, Galilei, Newton oder Einstein hatten alle eine ähnliche Art, Phänomene zu hinterfragen und sie später zu deuten. Aus vielen Fragen sind mit der Zeit Antworten, Gesetze und viele absolute Gewissheiten geworden. Wie sind wohl diese berühmten Leute früher vorgegangen? Wir beobachten unsere Umwelt und fragen nach den Ursachen der Erscheinungen. Wir suchen nach einer Erklärung der Erscheinung. Wir vermuten bestimmte Zusammenhänge zwischen ihnen. Wir überprüfen unsere Vermutungen mit Experimenten. Falsch Richtig Unsere Vermutungen waren falsch. Wir Werden unsere Vermutungen bestätigt, so müssen nochmals neu beobachten und können wir diese Gesetzmässigkeiten nachdenken. ansehen. Durch Kenntnis der Gesetze lassen sich unsere Beobachtungen erklären. Durch diese Kenntnis lassen sich bestimmte Erscheinungen vorhersagen und technisch nutzen! 1. Nenne einige offene Fragen, die dich beschäftigen. Schreibe sie auf. 2. Beantworte die Frage: Wieso rattern die Eisenbahnwagen im Winter mehr als im Sommer? NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 6 Mechanik 7.Klasse 2. Geschwindigkeit 2.1. Versuch-Diagramm-Ergebnis Beschreibung Wir lassen ein Spielzeugauto a) auf einer horizontalen b) auf einer schiefen Ebene eine bestimmte Strecke (1,2,3,4,5 m) durchfahren. Dabei messen wir mit einer Stoppuhr die entsprechenden Abschnittszeiten. Anordnung Protokoll Weg 1m 2m 3m 4m 5m 12 20 24 26 27,5 1.Messung 2.Messung Mittelwert Ø Geschwindigkeit Zusatzmessung b) Diagramm, Graphik sec NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 7 Mechanik 7.Klasse Feststellungen zur Graphik Folgerungen zur Graphik 2.2. Formel,Einheiten Geschwindigkeit v v*t s Fussnote1 Umrechnungen: 1 0,27. *3,6 1 3,6 3,6 2.3. Aufgaben 1. Ein Flugzeug hat für die Strecke von Zürich nach New York 8 Stunden.(6000 km) Welche Geschwindigkeit hat das Flugzeug? Angaben AN Allgemeine Lösung AL Ausrechnungen AU 2. Ein Auto fährt von Basel nach Moskau (920 km) mit der Geschwindigkeit von durchschnittlich 100 Wie lange dauert die Fahrt in und min.? AN AL AU 3. Ein Auto fährt in Deutschland mit der Geschwindigkeit von 149,4 Welchen Weg legt er in 1 Sekunde zurück? AN AL 1 velocitas, spatium, tempus (aus dem Lateinischen) NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 8 Mechanik 7.Klasse AU 4. Welche Zeit braucht das Licht von der Erde zum a) Mond und b) zur Sonne? Distanz: Erde-Mond 40000 km Erde-Sonne 150 Mio km Lichtgeschwindigkeit 30000 AN AL AU 5. Wie gross ist der Zeitfehler beim 80 Lauf, wenn der Lehrer auf den Startschuss des Starters hört?(Schallgeschwindigkeit 340 AN AL AU 6. Berechne deine Ø-Geschwindigkeit beim a) 80 Lauf und b) beim 1 km Lauf? AN AL AU NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 9 Mechanik 7.Klasse 2.4. Lichtgeschwindigkeit Olaf Römer hat die Lichtgeschwindigkeit 1675 mit einfachen Hilfsmitteln und sehr genauen Beobachtungen exakt bestimmt. Beschreibung der Beobachtung Olaf Römer berechnete für die Erdstellung 1 die Zeitpunkte, zu denen der innerste Jupitermond in den Jupiterschatten eintaucht. Während des nächsten Halbjahres bis zur Erdstellung 2 trat eine Verspätung der beobachteten Zeiten gegenüber den berechneten von insgesamt 1000 Sekunden ein, die im zweiten Halbjahr wieder verschwand. Das Licht muss in Erdstellung 2 zusätzlich den Erdbahndurchmesser von 300 Mio km durchlaufen. Aus der Verspätung von 1000 sec ergibt sich die Lichtgeschwindigkeit von 30000 Rechnung: v 30000 Immer wieder wurden Lichtgeschwindigkeitsmessungen vorgenommen, so von Fizeau im Jahre 1849. Er errechnete 31300 ein zu hoher Wert, wobei er eine Versuchsanordnung auf der Erde verwendete, die 8,63 km lang war. Foucault im Jahre 1862 erreichte wiederum mit einer anderen Versuchsanordnung das erstaunlich genaue Resultat von 299970 Berechne die Distanz, die das Licht in einem Jahr zurücklegt? 1 Lichtjahr ? 2.5. Überschallgeschwindigkeit Schlage den Begriff Überschallgeschwindigkeit nach und halte alles zu diesem Thema schriftlich fest. 3. Dichte 3.1. Versuch Beschreibe den Lehrerversuch Illustriere mit einer Zeichnung NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 10 Mechanik 7.Klasse Volumenbestimmung Massenbestimmung Auswertung (auf 2 Stellen runden) holzig grau silbrig gelb Farbe Masse Volumen cm3 Quotient Material Ergebnis 3.2. Formel, Einheiten 3 3 *V griech. Buchstabe, sprich rho NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 11 Mechanik 7.Klasse Abk. Dichte Volumen Masse 3.3. Aufgaben 1. a) Berechne wenn 1,53 kg und 0,350 dm3 b) Berechne wenn 3,7g und 8,50 c) Berechne 2. 3. HA 3 wenn 6,85 cm und 19,20 Ein quadrischer Körper ist 5,3 cm lang, 3,2 cm breit und 2,6 cm hoch. Seine Masse beträgt 379 g. Berechne die Dichte. Aus welchem Material besteht der Körper? Dichtetabelle Peter hat 7 kg Quecksilber 13,60 . Hat es in einer 0,5 Liter Flasche Platz? Begründe! Welches Volumen haben 30 kg Terpentinöl DICHTE NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € 870 Seite 12 Mechanik 7.Klasse 3.4. Dichtetabelle Feste Stoffe Flüssigkeiten Gase bei 18 bei 18 bei 0 Aluminium 2,7 Quecksilber Zink 7,1 Benzin Holz 0,4-0,8 Wasser(bei 4 C) Platin 21,5 Wasser(bei 0 C) Gold 19,3 Glyzerin Blei 11,3 Sauerstoff Eisen 7,9 Messing(Cu/Zn) 8,6 Glas 2,4 Plexiglas 1,4 Kork 0,09 0,7 Sauerstoff 1,43 1,00 Chlor 3,21 0,998 Luft 1,29 1,3 CO 1,25 0,00143 Wasserdampf(100C) 0,6 0,2-0,4 Kupfer TEST 13,6 Wasserstoff 8,9 M1.3. 3.5. Archimedes und die beiden Königskronen Eine andere Geschichte, in der von einer sensationellen Entdeckung eines physikalischen Gesetzes durch 4 Archimedes berichtet wird, hat bis in unsere Zeit Aufsehen erregt: Der König von Syrakus liess sich eine neue Krone anpassen, aber nach der Ablieferung hegte er den Verdacht, dass der Goldschmied das ihm zur Verfügung gestellte Gold mit Silber gestreckt und so seinen Auftraggeber betrogen habe. Er forderte deshalb Archimedes auf, durch eine Untersuchung festzustellen, ob die Krone wirklich aus reinem Gold sei. 4 Archimedes - griech. Wissenschafter (287 212 v. Chr.) NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 13 Mechanik 7.Klasse Der dachte lange darüber nach, wie er dies feststellen könnte. Natürlich wusste er, dass Silber weniger wiegt als Gold. Wenn das Gold der neuen Krone mit Silber vermischt war, musste sie weniger wiegen als eine Krone derselben Grösse aus purem Gold. Da die Krone aber nach dem Vorbild einer anderen gefertigt worden war, lag es zunächst nahe, diese zu wiegen. Die neue hatte jedoch dasselbe Gewicht wie die alte. Sie schien ebenfalls gleich groß zu sein. Beide Kronen waren allerdings höchst unterschiedlich gearbeitet und mit verschiedenen Motiven versehen, so dass es unmöglich war, sie genau zu vermessen. Mit diesen Gedanken beschäftigt, wie es doch möglich wäre, ihre genauen Grössen festzustellen, ging Archimedes in eine Badeanstalt, um dort ein Wannenbad zu nehmen. Der Bademeister hatte die Wanne bis zum Rand mit heissem Wasser gefüllt. Als Archimedes hinein stieg, lief natürlich das Wasser über. Ein Vorgang, den Abertausende vor ihm bestimmt schon beobachtet hatten, wobei sie sich über die Wasserverschwendung geärgert haben mochten. Archimedes aber, gewohnt, alle Vorgänge um sich herum scharf zu beobachten, sprang mit einem Freudenschrei aus der Wanne. Er war plötzlich darauf gekommen, wie er die genaue Grösse der beiden Kronen messen konnte. Jeder Körper, den man in Wasser taucht, verdrängt genauso viel Wasser, wie sein eigenes Volumen beträgt. Das war die Lösung, die er so lange gesucht hatte. So konnte er auf die einfachste Weise das Volumen der einzelnen Kronen messen, um festzustellen, ob die zuletzt angefertigte ein grösseres Volumen habe und folglich bei gleichem Gewicht Silber enthalten müsse. Dies war einer der grossen Augenblicke, wie sie häufig in der Geschichte der Physik auftraten und die Kenntnisse der Menschen auf diesem Gebiet oft durch eine zufällige Beobachtung schlagartig erweiterten. Archimedes rannte nackt, wie er war, durch die Strassen zum Königspalast und schrie, vor Freude ausser sich: Heureka, Heureka! Ich habs gefunden . Im Palast warf man ihm zuerst ein Gewand um, dann erst konnte er den König sprechen. Er bat ihn aufgeregt, die beiden Kronen herbeiholen zu lassen, dazu zwei Schüsseln von genau gleicher Grösse, in welche die beiden Kronen hineinpassten. Dann aber, fuhr er fort, benötige ich noch zwei weitere Schalen, in welche die Schüsseln mit den Kronen passen und ausserdem ich hätte es beinahe vergessen eine grosse Kanne Wasser und 2 Messgefässe . Verwundert sah ihn der Herrscher an. Was, beim Hades, hatte sich sein gelehrter Vetter nun wieder ausgedacht? Er war aber noch mehr erstaunt, als er sah, was Archimedes nun mit den von den Dienern eilends herbeigebrachten Gegenständen anstellte. Zunächst tat er kleineren Schalen in die grösseren, dann füllte er die ersteren bis an den Rand mit Wasser und legte vorsichtig die beiden Kronen in die gefüllten Schüsseln. Ein Teil Wasser lief nun heraus in die grösseren Schalen. Du siehst König, sagte er darauf, die Menge des verdrängten Wassers ist höchst unterschiedlich. Die neue Krone hat mehr verdrängt als die alte. Doch wir wollen es mit den Messbechern genau feststellen. Archimedes nahm nun vorsichtig zunächst die beiden Kronen aus den Schalen, dann diese selbst und kippte schliesslich den Inhalt der beiden grösseren Schüsseln in die Messgläser. Nun ist es genau zu erkennen, fuhr er fort. Aus der Schale, in der die neue Krone lag, ist mehr Wasser geflossen als aus der anderen. Sie ist also grösser und hat mehr Wasser verdrängt. Da sie jedoch das gleiche Gewicht hat wie die ältere Krone aus purem Gold, muss sie aus leichterem Metall bestehen. Der Goldschmied hat also eine entsprechende Menge Silber beigemischt und das so gesparte Gold für sich behalten. Nacherzählt von H.W.Gaebert NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 14 Wärme 7.Klasse 4.Energie 4.1. Begriff 1. Was ist Energie? 1. Welche Energieformen kennst du? Zähle auf. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Stoffe, aus denen wir Energie gewinnen können, nennen wir Energieträger. 3. Welche Energieträger kennst du? Zähle auf. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 15 Wärme 7.Klasse 5.Wärme-Energiekraftmaschinen 5.1. Prinzip einer Wärmemaschine Fülle die Lücken mit den entsprechenden Begriffen! Ein (Kohle, Öl, Benzin, Kerosin) wird verbrannt. Dabei entsteht ein mit grossem Druck und hoher Temperatur. Dieses heisse Gas und bewegt einen . Das heisse Gas hat seine Arbeit getan Man nennt diesen Teil und wird nun fortgeleitet (Zum Auspuff hinaus). Die erzeugte, wird zum und Motorfahrräder ausgenutzt. 5.2. Zweitakt-Motor Erstelle eine Legende des Schnittmodells NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 16 Wärme 7.Klasse 5.2.1. Funktionsweise Vorgänge im Zylinder im Kurbelgehäuse Kolbenbewegung Beschreibung 1.Takt 2.Takt Problem: 5.2.2. Verwendung NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 17 Wärme 7.Klasse 2-Takt-Motoren werden für Mopeds und Mofas, Pumpen, Rasenmäher und Modellflugzeuge verwendet. Erfinder des 2- und 4-Taktmotores war ein Deutscher N.A.Otto im Jahre 1870. 5.2.3. Ergänzungen Wirkungsgrad (mikro): bei 2-Takt-Motor 20-30 %, bei Elektromotoren 90% Hubraum: Beispiel: VW-Golf 5.3. Viertakt-Motor 5.3.1. Übersicht, 4 Takte NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 18 Wärme 7.Klasse 5.3.2. Funktionsweise 1. Takt Name: 2. Takt Name: 3. Takt Name: 4. Takt Name: Aufgabe: Suche Unterschiede zwischen 2- und 4-Takt-Motor 5.4. Dieselmotor NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 19 Wärme 7.Klasse Legende 1 2 3 4 5.5. Vergleich Benzinmotor Dieselmotor (4-Takt) Benzinmotor Dieselmotor 1. Gemisch Luft 2. Kompression Kompression 3. Abgase CO NOx Blei SO2 Russ Geruch Vorteile/Nachteile NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 20 Wärme 7.Klasse 5.6. Wankelmotor Der Wankelmotor arbeitet nach dem Rotationsprinzip des Kolbens. Anstatt dass sich der Kolben von unten nach oben bewegt, dreht sich der Kolben im Zylinder um die eigene Achse. Deshalb wird der Wankelmotor auch Rotationskolbenmotor genannt. Der Erfinder Felix Wankel machte diese Erfindung im Jahre 1958. Seit 1963 sind in verschiedenen Autos, z.B. Mazda RX7, NSU RO80, Mercedes C111 und auch Bootsmotoren solche Wankelmotoren eingebaut. Schnittmodell NMM•Physik•Sek.Aarwangen•er05 € Seite 21