Arbeitsblatt: Arbeitsblätter Mechanik

Unterscheidung von Masse und Gewicht Masse • Eine Masse wird in der Einheit Kilogramm (kg) angegeben. • Jeder Körper hat eine Masse. • Sie ist unabhängig davon, wo der Körper sich gerade befindet. Beispiel: Meine Körpermasse beträgt auf der Erde sowie auf dem Mond kg. Gewicht • Das Gewicht ist eine Kraft (Schwerkraft) und wird in der Einheit Newton (N) angegeben. • Die Gewichtskraft ergibt sich durch die Massenanziehung verschiedener Körper. • Die Gewichtskraft, die auf einen Körper wirkt, hängt davon ab, wo sich der Körper befindet. Beispiel: Auf dem Mond sind die Massenanziehungskräfte sechsmal kleiner als auf der Erde. Somit ist meine Gewichtskraft dort auch sechsmal geringer. Verschiedene Kräfte Kräfte kommen überall und jederzeit in unserem Alltag vor. Du kannst sie überall spüren aber du kannst sie nicht sehen. Du kannst sie nur an ihren Wirkungen erkennen. Sie können Körper bewegen, abbremsen, ihre Bewegungsrichtung ändern oder verformen. Jede Kraft hat auch eine gegenkraft. Notiere Beispiele, wo überall im Alltag du Kräften begegnest: Einheit der Kraft [F] Kräfte werden in der Einheit Newton angegeben, benannt nach dem englischen Mathematiker Sir Isaac Newton (1643 – 1727). 1 Newton entspricht der Kraft, die wir benötigen, um eine Tafel Schokolade (100g) aufzuheben. Mit der Federwaage können wir die jeweilige Kraft messen. Zeichnerisch stellt man Kräfte als Pfeile dar. Die Richtung des Pfeiles gibt die Richtung der Kraft an, der Anfangspunkt bezeichnet den Angriffspunkt der Kraft und die Länge des Pfeiles widerspiegelt die Grösse der Kraft. 1N 1 Newton 1kN 1 Kilonewton 1000 Newton 1MN 1 Meganewton 1‘000‘000 Newton 1. Welche Kräfte sind somit nötig, um a.) mich selber anzuheben? b.) um 1kg Zucker anzuheben? c.) einen Felsbrocken mit einer Masse von 5t anzuheben? 2. Ermittle, welche Beträge die Kräfte F1 bis F9 haben! (1 cm 10 N) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 3. Im Alltag wirken meistens mehrere Kräfte in unterschiedliche Richtungen. Die resultierende Kraft wird mit einem Kräfteparallelogramm bestimmt. (1N 1cm) Kräftespiel Ordne die folgenden Aussagen den richtigen Grafiken zu. 1. Ein Heissluftballon steigt. Die Auftriebskraft ist grösser als die Gewichtskraft 2. Zwei Schülerinnen ziehen drei Schüler beim Tauziehen über die Grenzlinie 3. Drei Schüler ziehen zwei Mädchen beim Tauziehen über die Grenzlinie 4. Ein Heissluftballon sinkt, weil die Gewichtskraft grösser geworden ist als die Auftriebskraft 5. Ein Heissluftballon schwebt, weil die Auftriebskraft und die Gewichtskraft gleich gross sind 6. Herrchen will heimgehen, Bello aber nicht. Beide ziehen gleich stark Kraftakte Arbeitsblatt zur Seite 95 und 96 im Buch Urknall. 1. Sehr häufig hören wir Begriffe wie „Waschkraft, „Sehkraft, „Entschlusskraft oder „Einbildungskraft. Sie klingen zwar auch ziemlich „kräftig, haben aber mit den physikalischen Kräften dieser Seite überhaupt nichts gemeinsam. Diese Behauptung kannst du sicherlich leicht begründen. . . . . 2. Notiere die Kräfte, die auf dieser Doppelseite genannt werden, und finde weitere Beispiele dazu. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Begriffe: Gewichtskraft Messen Masse in Gramm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gewichtskraft in Newton Die Arbeit Wenn du einen Gegenstand vom Boden aufhebst, so kommt es vor allem auf seine Masse an, ob du ins Schwitzen gerätst oder nicht. Wenn du einen schweren Gegenstand über eine grössere Distanz tragen musst oder sogar über eine Treppe hinauftragen musst, so kommst du sehr bald ins Schwitzen. Die Physik hat für diese Tätigkeit einen eigenen Begriff definiert: Arbeit Kraft • Weg WF•s Arbeit im physikalischen Sinne wird nur verrichtet, wenn ein Körper mit einem Kraftaufwand bewegt wird. Joule (J) Newton (N) • Meter (m) Da Energie gespeicherte Arbeit ist, wird sie auch in Joule angegeben. Rechenbeispiel: Roger hat eine Masse von 50 kg. Er klettert die 5 hohe Kletterstange hoch. Welche Arbeit verrichtet er? Übungsblatt zur Arbeit Beim Heben verschiedener Körper sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Kreuze in der Tabelle an, welche Art von Arbeit jeweils verrichtet wird. Finde weitere Beispiele. 1. Fussball treten 2. Tennisschläger benutzen 3. Koffer auf den Schrank legen 4. Expander dehnen 5. Schlitten fahren und abbremsen 6. Lift fahren 7. Draht verbiegen 8. 9. 10. Übungsblatt zur Arbeit Beim Heben verschiedener Körper sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Kreuze in der Tabelle an, welche Art von Arbeit jeweils verrichtet wird. Finde weitere Beispiele. 1. Fussball treten 2. Tennisschläger benutzen 3. Koffer auf den Schrank legen 4. Expander dehnen 5. Schlitten fahren und abbremsen 6. Lift fahren 7. Draht verbiegen 8. 9. 10. Posten 1 Einsparung von Kraft durch Weg 1. 2. 3. 4. Lies im Urknall die S.103 und versuche die einzelnen Erklärungen nachzuvollziehen. Lest gemeinsam den Versuch durch und führt ihn exakt aus. Notiere deine Ergebnisse auf dem Arbeitsblatt „Fünfmal die gleiche Arbeit?. Besprecht gemeinsam, wie bei diesem Posten Kraft eingespart werden kann. Posten 2 Einsparung von Kraft durch Hebel 1. 2. 3. 4. Lies im Urknall die S.104 und versuche die einzelnen Erklärungen nachzuvollziehen. Lest gemeinsam den Versuch durch und führt ihn exakt aus. Füllt das Arbeitsblatt „Viel Kraft im kurzen Arm aus. Besprecht gemeinsam, wie bei diesem Posten Kraft eingespart werden kann. Posten 3 Einsparung von Kraft durch Rollen 1. 2. 3. 4. Lies im Urknall die S.105 und versuche die einzelnen Erklärungen nachzuvollziehen. Lest gemeinsam die drei Versuch durch und führt sie exakt aus. Füllt das Arbeitsblatt „Feste und lose Rollen aus. Besprecht gemeinsam, wie bei diesem Posten Kraft eingespart werden kann. Versuch zur schiefen Ebene Aufgaben Anhand verschiedener Messungen sollst du herausfinden, wie sich eine schiefe Ebene auf die Gewichtskraft und die geleistete Arbeit auswirkt. Aufbau Baue die geneigte Ebene nach Abb.1 auf. Dazu brauchst du Baukasten 1 und 2. Nimm das Arbeitsblatt zur Hand, damit du die Höhe und den Winkel einstellen kannst. Was habe ich durch diesen Versuch herausgefunden? . . . . Versuch zum Hebel 2. Welche Gewichtskraft hat die Last mit der Masse von 100 g? N 3. Messe nun jeweils die Länge l1 und notiere deine Messungen in der Tabelle. 4. Berechne nun das Produkt von der Last und der Länge l1. Notiere die Werte in der Tabelle. 5. Messe nun jeweils die Länge l2 und notiere deine Messungen in der Tabelle. 6. Berechne nun das Produkt von der Kraft und der Länge l2. Notiere die Werte in der Tabelle. Nr. d. Markierung 10 li 10 re 8 10 6 10 4 10 2 10 Kraft (N) Länge l1 (cm Last • l1 (Ncm) Länge l2 (cm) Kraft • l2 (Ncm) Was stelle ich fest? . . . . Versuch mit einer festen Rolle Aufgabe Finde heraus, ob sich die Gewichtskraft mit einer festen Rolle verändert. Aufbau Stelle anhand der Abbildung folgender Versuch auf. Das Messband mit der mittleren Doppelmuffe sind für diesen Versuch nicht nötig. Durchführung Justiere zuerst den Kraftmesser „über Kopf auf Null. Hänge nun das Gewichtsteller (10g) an das Schnurende. Was zeigt der Kraftmesser an? Übertrage es in die Tabelle. Lege nun jeweils ein Gewichtsstück mehr auf das Gewichtsteller und notiere deine Messungen. Gewichtskraft links (Kraftmesser) Gewichtskraft rechts (Gewichtsstücke) Was stelle ich fest? . . . . Versuch mit einer losen Rolle Was stelle ich fest? . . . . Versuch mit einer festen und einer losen Rolle (Flaschenzug) Was stelle ich fest? . . . . Die schiefe Ebene Beide Bezwinger des Berges verrichten gleiche Arbeit. Was an Kraft eingespart wird, muss an Weg dazugelegt werden; denn Arbeit kann nicht gespart werden. Rechenbeispiel: Hans klettert senkrecht den Berg hinauf. Er muss somit sein ganzes Gewicht von 750 bis zur Bergspitze tragen. Die Strecke dafür sind 1000 m. Arbeit Kraft • Weg 750 • 1000 750‘000 750 kJ Fritz nimmt den flacheren Weg. Sein Gewicht wird somit halbiert, der Weg verdoppelt sich aber. Arbeit Kraft • Weg 375 • 2000 750‘000 750 kJ Das Hebelgesetz Der Hebel ist eine Einfache Maschine, die Kraft sparen hilft. Last • Lastarm Kraft • Kraftarm Rechnungsbeispiele: Feste und lose Rollen feste Rolle lose Rolle Die feste Rolle lenkt die Kraft um, verkleinert sie jedoch nicht. Die lose Rolle halbiert die erforderliche Kraft und verdoppelt den Kraftweg. Sie bewegt sich mit der Last. Der Flaschenzug Der Flaschenzug ist eine Kombination von festen und Rollen. Dies ist zwar eine kompliziertere Art eine Last zu heben, aber damit Kräfte sparen. Beim Berechnen der Kraftersparnis kommt es auf Tragseile an, an der die Last hängt. von losen man kann die Anzahl Gewicht der Last Kraft -----------------------------Anzahl Seilstücke Rechenbeispiel: Rollen sind verschieden angeordnet. Die Gewichtskraft des angehängten Körpers beträgt jeweils 100 N. Welche Zugkraft ist mindestens erforderlich, um die Lastzu halten? Hebel -Berechne die Kraft F2 Rollen Berechne die Kraft F2 Gewichtskraft und Arbeit Die Leistung Klettern zwei Schüler mit einer Masse von 50 kg die 5 hohe Kletterstange hinauf, verrichten sie die gleiche Arbeit. Brauch aber der eine Schüler dazu 5 Sekunden, der andere hingegen 10 Sekunden, so unterscheiden sie sich in ihrer Leistung. Arbeit Leistung -------------Zeit P ---t Die Einheit der Leistung ist Watt. Joule 1 Watt 1 -------------Sekunde Rechenbeispiel der beiden Schüler: Beide Schüler besitzen eine Gewichtskraft von 500 N. Die Arbeit der beiden Schüler ist gleich gross: 500 • 5 2500 2500 Schüler A: PA ------------ 500 5 sec 2500 Schüler B: PB ------------ 250 10 sec Klettern Leistungsmessung am Name Masse in kg Gewichtskraft Höhe in in Newton Formelsammlung: Arbeit Leistung Zeit in sec Arbeit in Joule Leistung in Watt Berechnungen zu Arbeit und Leistung 1. Fritz zieht einen beladenen Leiterwagen mit einer Kraft von 130 und einer Geschwindigkeit von 1.5 m/s. Welche Leistung vollbringt Fritz? 2. Eine Liftkabine wiegt besetzt 870 kg. Sie fährt mit 2.3 m/s aufwärts. Berechne die Leistung und runde auf kW! 3. In einem Kraftwerk fliess pro Minute 8400 m3 Wasser durch die Turbinen. Die Stauhöhe beträgt 4.5 m. Wie gross ist die Leistung des Wassers? Resultat in kW. 4. Ein Gewichtsstück von 5 kg zieht an einer Schur und treibt dabei einen Dynamo an. Wie gross ist die Leistung, wenn das Gewichtsstück in 15 um 6 hinuntergeht? 5. Eine Zahnradbahn fährt in 5 Minuten ein steiles Streckenstück mit 400m Höhendifferenz hinab. Berechne die Bremsleistung, wenn der Zug ein Totalgewicht von 60 hat. 6. Ein 2700 kg schwerer Elefant soll mit einem Kran in ein Schiff verladen werden. Berechne die Leistung des Krans, wenn er den Elefanten in 30 4 hoch hebt! 7. Klettern! Toni schafft die 5 hohe Stange in 6 s. Er ist 41 kg schwer. Ruedi braucht für die gleiche Strecke 9 und ist 67 kg schwer. Vergleiche die beiden Leistungen! Energie Der Begriff der Energie ist sehr stark mit dem Begriff der Arbeit gekoppelt. Energie ist eigentlich nichts anderes als die Fähigkeit Arbeit zu verrichten, gespeicherte Arbeit. Jeder Körper besitzt in sich ein gewisses Energiepotential. Diese Energie kann zur Verrichtung einer Arbeit verwendet werden. Wir unterscheiden 2 verschiedene Energieformen potentielle Energie Lageenergie Hubarbeit kinetische Energie Bewegungsenergie Die Einheit der Energie [E] wird wie bei der Arbeit in Joule angegeben. Energieerhaltungssätze 1. Es ist unmöglich, Energie aus dem Nichts zu gewinnen 2. Es ist unmöglich, Energie zu vernichten 3. Jede Energieform lässt sich grundsätzlich in jede andere Energieform umwandeln. Formeln zur Berechnung der Energien 1. Potentielle Energie Epot m • • Masse • Erdbeschleunigung • Höhe Beispiel Epot 50kg • 9.81 m/s2 • 2m 981J 2. Kinetische Energie Ekin • • v2 • Masse • Geschwindigkeit im Quadrat Beispiel Anna joggt im Tempo von 9 km/h durch den Wald. Sie hat eine Masse von 60 kg. Welche Arbeit leistet sie? Ekin • 60 kg • (9 km/h)2 2430J Energie Der Begriff der Energie ist sehr stark mit dem Begriff der Arbeit gekoppelt. Energie ist eigentlich nichts anderes als die Fähigkeit Arbeit zu verrichten, gespeicherte Arbeit. Jeder Körper besitzt in sich ein gewisses Energiepotential. Diese Energie kann zur Verrichtung einer Arbeit verwendet werden. Wir unterscheiden 2 verschiedene Energieformen Die Einheit der Energie [E] wird wie bei der Arbeit in Joule angegeben. Energieerhaltungssätze 1 . 2 . 3 . . Formeln zur Berechnung der Energien 1. Potentielle Energie Epot m • • Masse • Erdbeschleunigung • Höhe Beispiel 2. Kinetische Energie Ekin • • v2 • Masse • Geschwindigkeit im Quadrat Beispiel Anna joggt im Tempo von 9 km/h durch den Wald. Sie hat eine Masse von 60 kg. Welche Arbeit leistet sie? Verschiedene Arten von Energie Ähnlich wie es verschiedene Arten von Arbeiten gibt, unterscheidet man auch verschiedene Energieformen. Welche Energiequellen kennst du? . . . . Verschiedene Arten von Energie Ähnlich wie es verschiedene Arten von Arbeiten gibt, unterscheidet man auch verschiedene Höhenenergie (Lageenergie) Spannenergie Bewegungsenergie Wärmeenergie Chemische Energie Elektrische Energie Welche Energiequellen kennst du? . . . . Berechnungen zur Energie Berechnungen zur Energie 1. Berechne die geleistete Arbeit, so weisst du auch wie viel Energie die zwei Männer gebraucht haben. Wie nennt man diese Energieform? 2. Von verschiedenen Körpern sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Weitere Energieumwandlungen Weitere Energieumwandlungen 1. Sonnen- und Windenergie, Höhenenergie sowie elektrische und innere Energie können in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Finde Beispiele dafür. 2. Ein Spielzeugauto wird aufgezogen. Man lässt es eine Rampe hinauffahren. Auf der andern Seite fällt es dann herunter. Schreibe auf, welche Energieformen in diesem Spiel vorkommen. . . . . . . 3. Der Skifahrer beim Abfahrtslauf der Segelflieger unter einer Haufenwolke, der Drachenflieger am Hang und der Sportler auf seinem Surfbrett benötigen weder Benzin noch elektrischen Strom, und sie bewegen sich trotzdem. Welche Formen der Arbeit und Energie kannst du bei diesen Tätigkeiten erkennen? Schreibe sie auf?