Arbeitsblatt: Physik Einführung Skript

PHYSIK Einführung Inhalte: Mechanik: Geschwindigkeit Mechanik: Ungleichförmige und gleichförmige Bewegungen Mechanik: Kinetische und potentielle Energie Elektrizitätslehre: Der elektrische Stromkreis Elektrizitätslehre: Das Ohmsche Gesetz 1. Geschwindigkeit Die Geschwindigkeit gibt an, welcher Weg in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wird. Man kann sie berechnen, wenn man weiss: a) wie lang der zurückgelegte Weg ist und b) wie viel Zeit dafür gebraucht wird. Als Symbol für die Geschwindigkeit wird der Buchstabe verwendet (franz.: vitesse: Geschwindigkeit). Die Geschwindigkeit erhält man, indem man den Weg durch die Zeit dividiert: Das Geschwindigkeitsdreieck: Zwei Grössen müssen bekannt sein, damit die Dritte berechnet werden kann. Die gesuchte Grösse wird abgeS deckt. Linie bedeutet Division, Linie bedeutet Multiplikation. Jetzt lassen sich folgende Formeln ableiten: V S Die Einheit der Geschwindigkeit ist m/s (Meter pro Sekunde). Oft gibt man die Geschwindigkeit auch in km/h (Kilometer pro Stunde) an. Manchmal hört man im Alltag für die Geschwindigkeit den Begriff „Stundenkilometer. Dieser Begriff ist FALSCH! Merke dir Kilometer pro Stunde, bzw. Meter pro Sekunde, um Geschwindigkeiten anzugeben! Umrechnungen: km/h - m/s und m/s - km/h Geschwindigkeit m/s multipliziert mit 3,6 ergibt die Geschwindigkeit in km/h. Geschwindigkeit in km/h dividiert durch 3,6 ergibt die Geschwindigkeit in m/s. Beispielaufgaben: Ein Gepard kann eine Geschwindigkeit von 34 m/s erreichen. Wie gross ist seine Geschwindigkeit in km/h? Ein Wanderer legt im Durchschnitt 4 Kilometer pro Stunde zurück. Wie viele Meter pro Sekunde legt er zurück? Aufgaben: Löse im Buch „PHYSIK S.49 die Aufgaben 1 bis 6 Lies den Text auf S.50 durch und beantworte anschliessend die gestellten Fragen und Aufgaben. 2. Ungleichförmige und gleichförmige Bewegungen Die gleichförmige Bewegung Bei der gleichförmigen Bewegung bleibt die Geschwindigkeit des Körpers immer gleich. Dabei werden gleich lange Wege in gleichen Zeiten zurückgelegt. Die ungleichförmige Bewegung Die Geschwindigkeit des Körpers ändert sich dauernd; sie nimmt entweder zu (Beschleunigung), oder sie nimmt ab (Verzögerung). Das heisst: Verschieden lange Wege werden in gleichen Zeiten zurückgelegt. Der freie Fall Du stehst auf einer Brücke. Unter dir fliesst ein Fluss hindurch. Du lässt nun einen Stein ins Wasser fallen und stoppst dabei die Zeit, die der Stein benötigt, bis er ins Wasser platscht. Du fragst dich jetzt vielleicht, warum du das tun solltest. Schauen wir uns das genauer an: 1. Du lässt den Stein fallen, das heisst, der Stein macht einen freien Fall. Er fällt nach unten, weil ihn die Erde anzieht. Und zwar mit der Erdbeschleunigung und diese beträgt 9,81 m/s. 2. Die Zeit, vom Loslassen bis zum Aufprall im Wasser, heisst Fallzeit. 3. Mit diesen beiden Grössen kannst du nun die Höhe der Brücke berechnen und zwar mit folgender Formel: 1 t 2 2 Beispielaufgabe: Um die Höhe einer Brücke zu bestimmen, lässt du einen Stein von dieser fallen. Nach 2s Fallzeit platscht der Stein ins Wasser, welche Höhe hat die Brücke? Gegeben: Fallzeit: Erdbeschleunigung: Skizze: t 2s g 9,81 m/s Gesucht: Höhe der Brücke Lösung: Formel: 1 1 2 Zahlen einsetzen: 9.81m s 2 2 ) 2 19,62m 2 2 Die Höhe der Brücke beträgt 19,62m. Aufgaben: Löse im Buch „PHYSIK S.52 die Aufgaben 1 bis 4. Lies anschliessend den Text auf S.53 genau durch und vergleiche mit unserer Beispielaufgabe. Eigene Notizen: 3. Kinetische und Potentielle Energie Es gibt verschiedene Energieformen, wir wollen uns in dieser Einführung nur auf die Kinetische und die Potentielle Energie beschränken. Die Einheit der Energie ist Joule J. Die Kinetische Energie (griech. Kinema: Bewegung) Zum Beispiel ein fahrendes Auto besitzt Kinetische Energie. Und zwar steckt diese „Bewegungsenergie in der bewegten Masse des Körpers. Um die Kinetische Energie Ekin auszurechnen benötigen wir die Masse des bewegten Körpers und seine Geschwindigkeit v. Dann berechnet sie sich mit: kin 1 v2 2 Die Potentielle Energie (lat. Potentia: Macht, Vermögen) Ein hochgehobener Apfel besitzt „Höhenenergie. Man nennt diese Energie auch Lageenergie und sie ist wiederum abhängig von der Masse des Körpers, sowie der Höhe, in der sich der Körper befindet. Berechnet wird die Potentielle Energie Epot mit der Formel: pot m Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Immer wenn Arbeit verrichtet wird, findet eine Energieumwandlung statt. Bei diesen Energieumwandlungen geht keine Energie verloren, das heisst die Gesamtenergie bleibt erhalten und wir sprechen vom Energieerhaltungssatz. Der Energieerhaltungssatz Der Energieerhaltungssatz sagt uns, dass die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System erhalten bleibt. In unserem Beispiel vernachlässigen wir Luft- und Reibungswiderstand. Dann ist die Gesamtenergie in der Situation 1 gleich gross, wie in der Situation 2. EGes Ekin1 Epot1 Ekin2 Epot2 Beispiel: Wir lassen einen Ball mit 500g Masse von einem Turm (h 300m) fallen. Welche Geschwindigkeit hat der Ball kurz vor dem Aufprall auf dem Boden? Situation 1: Situation 1 Ekin1 0, der Ball ist in Ruhe. Epot1 m·g·h, der Ball befindet sich in Der Höhe h. Situation 2: Ekin2 ·m·v, der Ball bewegt sich mit der Geschwindigkeit v. Epot2 0 der Ball ist kurz vor dem Aufschlag auf dem Boden. Situation 2 Energieerhaltungssatz: Gesamtenergie Situation 1 Gesamtenergie Situation 2 · · · · v //:m · · v // ·2 v // 2 · · 2 · · 76,72 m/s Zusatzaufgabe: Welche Geschwindigkeit hat der Ball auf halber Höhe? Aufgaben: Lies im Buch „PHYSIK S. 111 durch und fasse auf einem Blatt in Form eines MindMaps alle genannten Energieformen zusammen. Zeichne und schreibe die Zusammenfassung auf S.113 ab. 4. Der elektrische Stromkreis Im Buch auf S.205 ist eine Glühlampe dargestellt. Zeichne diese Glühlampe ab, beschrifte sie richtig und notiere die Aufgaben der einzelnen Bestandteile: Glaskolben Haltedrähte: Glühdraht Glasperle: Seitenkontakt: Gewinde Zwischenschicht: Fusskontakt: Eine Glühlampe beginnt zu brennen oder ein Elektromotor beginnt zu laufen, sobald sie an eine Stromquelle angeschlossen werden. Wir können den Strom zwar nicht sehen, aber wir wissen, dass jetzt Strom fliesst. Damit wir uns das besser vorstellen können, macht das Buch „PHYSIK auf S.206 einen Vergleich mit einem Wasserstromkreislauf. Fülle folgende Tabelle aus: Elektrischer Stromkreis Batterie Wasserstromkreis Wassergefüllter Schlauch Motor Zeichnung: Absperrhahn Zeichnung: Schaltzeichen Um eine Schaltung zu zeichnen, benötigen wir einheitliche Symbole: Batterie Stromquelle Schalter (offen) Schalter (geschlossen) Glühlampe Motor Messgerät Strommesser (Amperemeter) Spannungsmesser (Voltmeter) Festwiderstand Wie Lampen geschaltet werden können Zeichne die 3 Schaltskizzen 10, 11, 12 von „PHYSIK S.207 ab: Was haben diese Schaltskizzen gemeinsam? Serieschaltung und Parallelschaltung Im Buch auf S.207 zeigen die beiden Schaltskizzen 13 und 14 jeweils eine Serieschaltung (auch Hintereinanderschaltung genannt) und eine Parallelschaltung. Zeichne beide Skizzen ab und ordne ihnen den richtigen Namen zu: Was geschieht, wenn bei der Parallelschaltung eine Lampe locker gedreht wird? Was geschieht, wenn bei der Serieschaltung eine Lampe locker gedreht wird? Zeichne die Schaltskizzen 15 und 16 ab und löse die Aufgabe 4. 4a) 4b) 4c) 4d) Die elektrische Stromstärke und elektrische Spannung In einem elektrischen Stromkreis fliessen Elektrizitätsteilchen (in Drähten heissen sie ELEKTRONEN). Die elektrische Stromstärke gibt an, wie gross die Menge der Elektronen ist, die in einer Sekunde durch eine Stelle des Stromkreises fliessen. Strom kann nur dann fliessen, wenn die Elektronen einen Antrieb erfahren. Die Elektronen werden von einer Stromquelle angetrieben. Die elektrische Spannung dieser Stromquelle gibt an, wie stark dieser Antrieb ist. Und so werden die Stromstärke und die Spannung gemessen: Vergleiche mit S.238 im Buch „PHYSIK: So messen wir: Messgerät Einheit Schaltung Anschluss Schaltzeichen Schaltskizze Die Stromstärke Strommesser (Amperemeter) Ampere Serieschaltung Der Amperemeter darf nur in einem Stromkreis mit „Verbraucher eingesetzt werden. Die Spannung Spannungsmesser (Voltmeter) Volt Parallelschaltung Der Voltmeter wird parallel zur Stromquelle geschaltet, zwischen zwei Punkten, über denen die Spannung gemessen werden soll. 5. Das Ohmsche Gesetz Der elektrische Widerstand Der Strom fliesst in Drähten aus unterschiedlichem Material unterschiedlich gut. Je nach Drahtmaterial fliesst ein stärkerer oder schwächerer Strom. Diese Behinderung, die der elektrische Strom in jedem Leiter erfährt, nennt man elektrischen Widerstand R. Der elektrische Widerstand hängt vom Material des Leiters, seinem Durchmesser und seiner Länge ab. Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist (Ohm). Das Ohmsche Gesetz Ändert sich der Widerstand in einem Stromkreis nicht, so verhalten sich Spannung und Stromstärke proportional zueinander. Diese Abhängigkeit nennt man Ohmsches Gesetz: Spannung Widerstand · · Stromstärke Zeichne ein Ohmsches-Gesetz-Dreieck analog zum Geschwindigkeitsdreieck und schreibe die Formeln für U, und auf: U R I Aufgaben: Löse die Aufgaben 1 – 4 auf S.248 im Buch „PHYSIK