Arbeitsblatt: Manuskript Mechanik 1

raf nd rei infr ng in die ecani ae M. Stettler, 2007/08 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Lernziele . 3 Fähigkeiten, Kenntnisse 3 Begriffe. 3 Einführung in die Mechanik 1 4 1. Allgemeines 4 1.1. Grunddefinitionen.4 1.2. Physikalische Grössen und Einheiten .5 2. Kraft 6 2.1. Definition 6 2.1.1. Einheit der Kraft 7 2.1.2. Vom Spiel der Kräfte 7 2.1.3. Kraftfutter 10 2.2. Der physikalische Kraftbegriff 13 2.3. Eigenschaften von Kräften . 14 2.4. Die Kraft, der niemand entgeht 14 2.4.1. Masse und Gewichtskraft 14 2.4.2. Vergleich Erde-Mond 15 2.5. Messen von Kräften 16 2.5.1. Experiment: Hookesches Gesetz . 17 2.5.2. Newtonmeter 19 2.5.3. Experiment: Kräfte messen. 20 2.6. Übungsaufgaben zu Kraft 21 3. 3.1. Arbeit 22 Definition und Einheit 22 3.2. Übungsaufgaben zur Arbeit 23 3.2.1. Ein arbeitsreicher Wandertag 23 3.2.2. Arbeit berechnen . 24 3.2.3. Hubarbeit berechnen 24 3.3. Verschiedene Arbeiten beim Fahrrad . 24 3.3.1. Arbeitsblatt zu verschiedene Arbeiten. 25 3.4. Aufgaben Experimente aus Urknall 7 26 Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 1 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse 4. NMM – Physik Kraft und Arbeit Energie 28 4.1. Definition und Einheit 28 4.2. Energieerhaltungssätze . 28 4.3. Formeln zur Berechnung der Energien. 28 4.4. Mechanische Arbeit und Energie . 29 4.5. Energie, Energieformen, Energieträger 31 4.6. Energieumwandlungen 32 4.7. Aufgaben Experimente aus Urknall 7 33 4.8. Goldene Regel der Mechanik 36 5. 5.1. Hebel und Rollen . 37 Hebelgesetz. 37 5.2. Rollen . 38 5.2.1. Feste Rolle 38 5.2.2. Lose Rolle . 38 5.2.3. Flaschenzug 38 5.2.4. Des Rieders Unfall (aus der Schmunzelkiste). 39 5.3. Berechnungsaufgaben. 40 5.3.1. Aufgaben zu den Hebelgesetzen 40 5.3.2. Aufgaben zu den Rollen 40 5.3.3. Aus der Praxis . 40 5.4. Experimente zu Hebel und Rollen . 41 5.4.1. Viel Kraft im kurzen Arm 41 5.4.2. Einseitige Kraftmaschine. 41 5.4.3. Auswertung Viel Kraft im kurzen Arm . 42 5.4.4. Ein Kran im Handbetrieb. 43 5.4.5. Lose Rollen fahren mit 43 5.4.6. Rollenspiel mit schweren Lasten 44 5.5. Übungsaufgaben zu Hebel und Rollen 45 5.5.1. Schiffstau . 45 5.5.2. Hebel . 45 5.5.3. Berechnungsaufgaben 46 Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 2 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Lernziele Du kennst die Begriffe, deren Definitionen und Einheiten Du kennst die Eigenschaften und Wirkungen von Kräften Du kannst Kräfte einzeichnen und die Grösse einer Kraft selber bestimmen Du kennst die Gravitationskraft (Schwerkraft, Anziehungskraft, Gewichtskraft) und kannst sie erklären Du erkennst den proportionalen Zusammenhang zwischen Gewichtskraft und Masse und kannst ihn im Experiment nachvollziehen Du kennst die exakte Grösse der Erdanziehungskonstante Du kannst die Gewichtskraft von verschiedenen Körpern bestimmen Du kannst die Unterschiede der Gravitationskraft zwischen den verschiedenen Himmelskörpern erklären Du kannst Kräfte mit dem Parallelogramm zusammenzählen Du kannst mechanische Arbeiten berechnen Du kannst verschiedene Arbeiten benennen, einordnen und vergleichen Du kennst verschiedene Energieformen und –träger und kannst mindestens je ein Beispiel angeben Du kennst die drei Merksätze zur Energie Du kennst den Unterschied zwischen Arbeit und Energie Du kannst die potenzielle und kinetische Energien von Körpern berechnen Du kennst das Hebelgesetz und kannst es erklären Du erkennst und verstehst die Gesetzmässigkeiten bei zweiseitigen und einseitigen Hebelarmen. Du erkennst und verstehst die Gesetzmässigkeiten bei festen und losen Rollen und kannst sie auf alltägliche Phänomene übertragen. Du kannst das Prinzip des Flaschenzuges erklären. Fähigkeiten, Kenntnisse Du kannst eine Experimentanleitung exakt nachvollziehen Du kannst ein Experiment effizient und zielgerichtet durchführen Du kannst Beobachtungen aus dem Experiment sprachlich erfassen und in gewählter Sprache ausdrücken. Begriffe Mechanik, Weg, Zeit, Masse, Kraft, Gravitationskraft, Erdanziehungskonstante Arbeit, Reibungsarbeit, Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Spannarbeit Reibung, Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung Energie, potenzielle Energie, kinetische Energie, thermische Energie Joule, Newton zweiseitiger und einseitiger Hebel, feste und lose Rollen, Flaschenzug Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 3 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Einführung in die Mechanik 1 Physik ist die Wissenschaft von den Erscheinungen in. Mechanik ist ein Teil der Physik, welcher sich mit den alltäglichen Phänomenen beschäftigt. 1. Allgemeines 1.1. Grunddefinitionen Die Physik beschäftigt sich mit Grössen der Natur. Jede Zahl besitzt also eine Masseinheit, damit sie auch zugeordnet werden kann. Hier die 3 wichtigsten Grunddefinitionen: Definition Abkürzung Definition „1 Meter von 1783 bis 1983 Einheit Bezeichnung Definition „1 Meter ab 1983 1 Meter Strecke, welche das Licht im Vakuum in 1 zurücklegt. 299792458 Der Urmeter ist in Paris aus einer Legierung aus Iridium ausgestellt. Definition „1 Sekunde bis 1960 Definition „1 Sekunde ab 1960 1 Sekunde Schwingungsdauer einer bestimmten Anzahl Schwingungen eines Cäsiumatoms. Definition „1 Kilogramm seit 1889 Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 4 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 1.2. Physikalische Grössen und Einheiten Alle Grössen in der Physik haben eine Bezeichnung, welche grundsätzlich auf den Grunddefinitionen aufgebaut sind. Wichtige physikalische Grössen besitzen zudem ein eigenes Mass. Hier eine Zusammenstellung der wichtigsten physikalischen Grössen Grösse Manuskript Mechanik I; ste 2008 Zeichen Einheit Seite 5 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2. Kraft 2.1. Definition 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. Notiere Beispiele, wo überall im Alltag du Kräften begegnest: 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. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 6 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.1.1. Einheit der Kraft Kräfte werden in Newton gemessen: Die Einheit der Kraft beträgt also: Benannt nach dem englischen Mathematiker Sir Isaac Newton, 1643 – 1727) 1 Newton entspricht der Kraft, die wir benötigen, um eine Tafel Schokolade aufzuheben. Ermittle, welche Beträge die Kräfte F1 bis F9 haben! (1 cm 10N) F5 F2 F6 F1 F4 F3 F9 F7 F8 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 2.1.2. Vom Spiel der Kräfte Wir wollen die Darstellung der Kräfte noch veranschaulichen: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 7 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Darstellung von Kräften: 1. Eine Kraft von 5 wirkt in einer Richtung. (1 1 cm) 2. Eine Kraft von 4 und eine von 5 wirken gemeinsam in einer Richtung. 3. Zwei gleich grosse Kräfte (4 N) wirken gegeneinander. Es herrscht ein Kräftegleichgewicht (Beispiel: Gleich starke Mannschaften beim Tauziehen). 4. Zwei verschieden grosse Kräfte (4 und 6 N) wirken gegeneinander. Es herrscht ein Ungleichgewicht der Kräfte. (Beispiel: Eine Mannschaft ist stärker als die andere) 5. Zwei verschiede grosse Kräfte (4 und 6 N) wirken beide in verschiedene Richtungen. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 8 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Ordne die folgenden Aussagen den richtigen Grafiken zu. 1. 2. 3. 4. Ein Heissluftballon steigt. Die Auftriebskraft ist grösser als die Gewichtskraft Zwei Schülerinnen ziehen drei Schüler beim Tauziehen über die Grenzlinie Drei Schüler ziehen zwei Mädchen beim Tauziehen über die Grenzlinie 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 Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 9 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.1.3. Kraftfutter Lies die Doppelseite im Urknall 7, Seite 7 7 und aufmerksam durch und bearbei95 96 te anschliessend die folgenden Fragen dazu: 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 Behaupt 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: Kraft Wirkung Beispiel Richtung ändern verformen Hubkraft heben Schwerkraft Auftriebskraft Vogel bewegen Spannkraft bewegen Muskelkraft verbiegen Magnet Reibungskraft Fahrrad Haftkraft Kletterstange beschleunigen Auto verformen Autoblech bewegen Wasserrad Windkraft Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 10 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3. Welche Kräfte zeigen bei folgenden Vorgängen Wirkung? Vorgang Kraft Pizzabäcker knetet den Teig Zug fährt durch die Kurve Schlitten wird bergauf gezogen Kunstspringer wippt auf dem Sprungbrett Apfel löst sich vom Zweig und fällt zu Boden Flugzeug zieht seine Bahn über den Wolken 4. „Zu jeder Kraft gehört eine Gegenkraft. Suche und finde die Gegenkräfte. Kraft Gegenkraft Bremskraft Hubkraft Fliehkraft 5. Finde Beispiele zu folgenden Kräftepaaren. Kräftepaare Beispiele Haft- und Zugkraft Beschleunigungs- und Reibungskraft Schwer- und Hubkraft Flieh- und Anziehungskraft Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 11 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 6. Wir wollen die drei folgenden Kräftepaare zeichnerisch darstellen: Kräftepaar Darstellung Gewichtsund Hubkraft Fliehund Anziehungskraft Beschleunigungsund Reibungskraft Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 12 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.2. Der physikalische Kraftbegriff Eine Kraft kann man nicht sehen. Man kann sie nur an ihrer Wirkung erkennen. Eine Kraft kann Körper: 1. verformen 2. in Bewegung setzen Um welchen Fall handelt es sich bei den folgenden Beispielen: ein Ball wird zusammengepresst ein Gummiband wird gedehnt ein Kinderwagen wird angehalten ein Lineal wird gebogen ein Auto wird angeschoben ein Speer wird geschleudert Welche Kräfte dehnen die Feder oder beschleunigen den Wagen? Hört eine Kraftwirkung auf, so Solche Körper nennt man Eine Kraft verformt einen Tennisball, ein Gummiband, eine Feder Eine Kraft verformt ein Stück Butter, eine Plastilinkugel, ein Stück Lehm Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 13 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.3. Eigenschaften von Kräften Aus den letzten beiden Kapitel und den Aufgaben halten wir die Eigenschaften von Kräften fest: (1) Keine Kraft ohne Gegenkraft (2) Jede Kraft wirkt in eine bestimmte Richtung, an einem Angriffspunkt und hat eine bestimmte Grösse (3) Kräfte sind nur an ihrer Wirkung zu erkennen (4) Kräfte werden in Newton gemessen 2.4. Die Kraft, der niemand entgeht 2.4.1. Masse und Gewichtskraft Alle Teilchen eines Körpers bilden seine Masse. Sie wird in Kilogramm (kg) gemessen und ist an allen Orten gleich. Auf der Balkenwaage kann man Massen miteinander vergleichen. Massen ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehung wird auch „Gewichtskraft genannt und in Newton (N) gemessen. Die Gewichtskraft ist nicht überall gleich. Die Erde zieht alle Körper mit einer stärkeren Kraft an als z.B. der Mond. Man kann die Gewichtskraft mit einem Feder-Kraftmesser bestimmen. In welche Richtung wirkt die Kraft auf die Blattfeder? Zeichne einen entsprechenden Pfeil ein. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 14 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Zeichne durch Pfeile für alle Körper die Gewichtskräfte ein. Die Gewichtskraft, die die Gegenstände auf der Erde erfahren, heisst auch Schwerkraft Gravitationskraft Erdanziehungskraft Die Gewichtskraft ist nicht auf allen Himmelskörpern gleich. 2.4.2. Vergleich Erde-Mond Die Masse einer Tafel Schokolade: Vergleiche die beiden Massen Die Gewichtskraft der Schokolade: Vergleiche die beiden Gewichtskräfte Erde Mond 100 100 Die beiden Massen sind unverändert. 0.981 0.160 Die Gewichtskraft auf dem Mond ist 1/6 im Vergleich zur Erde Man sagt darum auch, die Gewichtskraft ist abhängig von der Masse der Himmelskör- per. Astronauten haben auf dem Mond Gesteinsbrocken eingesammelt und zur Erde gebracht. Wie haben sich Zahl, Gestalt, Zusammensetzung, Masse und Gewichtskraft der Steinbrocken verändert? Die Zahl, Gestalt, Zusammensetzung und Masse bleiben unverändert. Die Gewichtskraft ist auf der Erde sechsmal grösser Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 15 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.5. Messen von Kräften Kräfte können mit (Feder)Kraftmeter oder Newtonmeter gemessen werden. Ein Newtonmeter besteht aus einer Feder und einer Skala. Die Skala zeigt an, wie stark die Feder gedehnt wird, bzw. wie gross die entsprechende Kraft ist. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 16 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.5.1. Experiment: Hookesches Gesetz Ziel: Du erkennst den mathematischen Zusammenhang von Masse und Gewichtskraft (Hookesches Gesetz) Du kannst ein Experiment nach Anleitung effizient und richtig durchführen. Material: Gewichtssteine, Stahlfedern, Massstab, Krokodilklemmen, Stativlochplatte Arbeitsform: Gruppenarbeit Zeit: 15 Minuten Versuch: Es soll die unterschiedliche Dehnung des Feder-Kraft-Meters bei unterschiedlicher Anzahl Gewichtssteinen näher betrachtet und grafisch dargestellt werden. Aufträge: 1. Baue eine Versuchsanordnung auf, mit der du die den Federausschlag der Gewichtssteine messen kannst. 2. Als Hilfe steht dir die Abbildung rechts zur Verfügung. Dehnung 3. Justiere deine Versuchsanordnung auf 0. 4. Hänge nacheinander 1, 2, 3, 4 und 5 Gewichtssteine an die Feder und miss die Dehnung in mm. Notiere sie in der Tabelle unten und zeichne anschliessend die passende grafische Darstellung dazu. Messwerte: Trage hier deine Messwerte ein: Gewichtssteine 0 Dehnung [mm] 0 mm Manuskript Mechanik I; ste 2008 1 2 3 4 5 Seite 17 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse Stelle die Werte nun grafisch dar. Wähle dazu selber einen geeigneten Massstab für die y-Achse. Achte darauf, dass die Grafik nicht zu klein wird: Ausdehnung in mm Grafik: NMM – Physik Kraft und Arbeit 0 1 2 3 4 5 6 Gewichtsstücke Auswertung: Welchen Zusammenhang erkennst du zwischen den Gewichtsstücken und der Dehnung der Feder? Doppelte Belastung bewirkt doppelte Ausdehnung, dreifache Belastung bewirkt dreifache Ausdehnung Proportionalität Übertragung: Die Verlängerung einer Feder ist proportional zur Gewichtskraft welche die Feder spannt. Dieses Naturgesetz heisst Hookesches Gesetz. Formel: In der Physik wird dieser Zusammenhang mit Hilfe einer Formel beschrieben: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 18 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.5.2. Newtonmeter Welche Beträge zeigen die Newtonmeter an? Die Skala beginnt jeweils mit 0 N. Die oberen Zahlen geben den Messbereich an. 10 1N 2 1 F 50 10 5 0,1 F 5N 100 10 0,5 F F F Eine kleinere Einheit ist das Zentinewton, abgekürzt cN. Es gilt: 1 100 cN. Welche Kraft wirkt bei III? Lies die angezeigten Kräfte an den Newtonmetern ab. 18 3.5 5N 380 cN 62 cN 72 cN 30 cN Welche Gewichtskraft hat die Kugel? 70 cN Wo wurde die Messung der Abbildung ganz rechts durchgeführt? Manuskript Mechanik I; ste 2008 Erde Mond Erde Mond Seite 19 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.5.3. Experiment: Kräfte messen Ziel: Du kannst Kräfte mit dem Newtonmeter in sinnvoller Genauigkeit messen. Du fühlst dich sicher im Umgang mit den physikalischen Geräten Material: Newtonmeter, diverse Gegenstände Arbeitsform: Gruppenarbeit Zeit: 15 Minuten Versuch: Schätze und bestimme anschliessend die Kraft bei verschiedenen Aktionen bzw. die Gewichtskraft von verschiedenen Gegenständen. Achte darauf, dass das Newtonmeter nicht überspannt wird. Sei auch etwas erfinderisch, wie man die Kräfte messen könnte. Auftrag 1: Wie viel Kraft musst du bei den folgenden Aktionen einsetzen? Aktion Schätzung [N] Messung [N] Öffnen des Reissverschlusses beim Etui Drücken der Türklinke Zerreissen von Papier Auftrag 2: Schätze und bestimme anschliessend die Gewichtskraft folgender Gegenstände Gegenstand Schätzung [N] Messung [N] Bleistift Etui Gummi Urknall-Buch Ordner Stuhl Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 20 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 2.6. Übungsaufgaben zu Kraft 1. Zwei Kräfte wirken auf einen Ball. In welche Richtung zeigt die effektive Kraft und wie gross ist sie? (1 cm 10 N) 2. Drei Kräfte wirken auf einen Ball. In welche Richtung zeigt die effektive Kraft und wie gross ist sie? (1 cm 10 N) 3. Ein Flugzeug hat eine maximale Startmasse von 25000kg Welche Beschleunigung erfährt ein Passagier im Flugzeug, wenn die Triebwerke eine Kraft von 750kN hervorbringen? 4. Die Gravitationskraft des Raumfahrzeuges „Pathfinder beträgt auf der Erde FG 588.6 , auf dem Mars FM 228 . Welche Masse hat das Raumfahrzeug und wie gross die Anziehungskraft des Marses? Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 21 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3. Arbeit 3.1. Definition und Einheit 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 im physikalischen Sinne wird nur verrichtet, wenn ein Körper mit einem Kraftaufwand bewegt wird. Eine Arbeit von 1 Joule wird verrichtet, wenn ein Gegenstand 1m angehoben wird und dabei ständig eine Kraft von 1N ausgeübt wird. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 22 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3.2. Übungsaufgaben zur Arbeit 3.2.1. Ein arbeitsreicher Wandertag Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 23 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3.2.2. Arbeit berechnen Ein Eimer (m5kg) wird 1m hoch gehoben. Welche Kraft ist nötig? Wie gross ist die geleistete Arbeit? 3.2.3. Hubarbeit berechnen Beim Heben verschiedener Körper sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Masse a) erforderliche Hubkraft zurückgelegter Weg 250 2,5 b) 6 kg 25 c) 400 20 cm d) 60 kN e) f) verrichtete Arbeit 40 cm 8m 1,6 2 400 Nm 8 400 Nm 3.3. Verschiedene Arbeiten beim Fahrrad Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 24 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3.3.1. Arbeitsblatt zu verschiedene Arbeiten Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 25 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 3.4. Aufgaben Experimente aus Urknall 7 1. Betrachte die Bilder auf der Doppelseite 100 und stelle fest, wer hier eigentlich im physikalischen Sinne arbeitet. Es arbeiten die Ameise, der Turner an den Ringen und die beiden Zügelmänner. 2. Berechne die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um die abgebildeten Wassereimer auf Seite 100 auf die angegebene Höhe anzuheben. Bild 1: 10 entsprechen einer Masse von 10 kg (ohne Gefäss) 10 kg sind 100 ; 100 x 0.8 80 Bild 2: 5l 5l entsprechen einer Masse von 10 kg 80 Bild 3: 5 2l entsprechen einer Masse von 10 kg 80 Bei jedem Bild wird also die gleiche Arbeit verrichtet. 3. Bevor du weitermachst, lies die Doppelseite 101 im Urknall 7 aufmerksam durch. Bereitet gemeinsam verschiedene Unterlagen vor: grobes und feines Sandpapier, Holz, normales Papier und Glas. Legt auf einen kleinen Holzblock ein Gewicht und zieht ihn mit einem Kraftmesser nacheinander über die vorbereiteten Unterlagen. Vervollständige die angefangenen Sätze: Je grösser die Masse (Ge- desto grösser die Reibungsarbeit wichtskraft), Je länger die Strecke, desto grösser die Reibungsarbeit Je rauer der Untergrund, desto grösser die Reibungsarbeit 4. Entscheide, welche Arbeitsformen auf den Abbildungen Seite 1001 zu sehen sind. Finde weitere Beispiele. Pferde: Reibungs- und Beschleunigungsarbeit, bei Anstieg des Weges auch Hubarbeit Airbag: Spannarbeit (Der Airbag muss gespannt werden) Schlitten Bob: Beschleunigungsarbeit, dann Reibungsarbeit Bogenschütze: Spannarbeit, dann beschleunigt die Sehne den Pfeil Pressen: Verformungsarbeit Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 26 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5. Warum können wir Gegenstände, die uns zum Anheben viel zu schwer sind, durchaus durch Schieben oder Ziehen bewegen? Reibungsarbeit macht nur etwa einen Zehntel der entsprechenden Hubarbeit aus, wobei die Berührungsflächen eine entscheidende Rolle spielen. 6. Reibung ist erwünscht, manchmal aber auch unerwünscht. Finde Beispiele für beide Aussagen. erwünschte Reibung unerwünschte Reibung Beschleunigung eines Fahrzeuges keine unnötige Reibung bei Lager Abbremsen eines Fahrzeuges Luftwiderstand beim Radfahren Startblock beim Sprint Ski fahren, Schlittschuh laufen Steigeisen beim Klettern Gehen 7. Windschnittiges und Stromlinienförmiges gibt es überall in Natur und Technik. Worin liegen die Vorteile solcher Formen? Stromlinienform vermindert den Luftwiderstand. So muss keine „unnötige Reibungsarbeit verrichtet werden. Es kann Kraft „gespart werden. 8. Experiment 38: Nimm die Versuchskarte 38, lies sie aufmerksam durch und führe den Versuch gemäss Anleitung durch. Vergleiche die drei Begriffe: „Haftreibung, „Gleitreibung, „Rollreibung miteinander. Notiere hier ein ausführliches Versuchsprotokoll: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 27 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4. Energie 4.1. Definition und Einheit Der Begriff der Energie ist sehr stark mit dem Begriff der Arbeit gekoppelt. Energie ist eigentlich nichts anderes als Jeder Körper besitzt in sich ein gewisses Energiepotential. Diese Energie kann zur Verrichtung einer Arbeit verwendet werden. Wir unterscheiden 3 verschiedene Energieformen: 4.2. Energieerhaltungssätze 1. 2. 3. 4.3. Formeln zur Berechnung der Energien Merke: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 28 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4.4. Mechanische Arbeit und Energie 1. Welche Arten von Arbeit werden bei den dargestellten Vorgängen verrichtet? Welche Energieumwandlungen gehen dabei vor sich? a) b) c) 2. Vergleiche die mechanischen Arbeiten und Energieänderungen bei den dargestellten Vorgängen! 60 kg 50 kg 70 kg 2m W W W E E E Vergleich: 3. Von verschiedenen Körpern sind einige Angaben bekannt. Ergänze in der Tabelle die fehlenden Werte! Masse Geschwindigkeit Höhe a) 20 kg 36 km/h 2m b) 200 800 km/h 1 000 c) 70 kg 100 km/h d) 2,5 kg Manuskript Mechanik I; ste 2008 Epot Ekin 6,5 kJ 2,5 125 Seite 29 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4. Was versteht man in der Physik unter Arbeit, was unter Energie? Arbeit Energie 5. Eine Betonplatte wird mit Hilfe einer losen Rolle in 3,5 Höhe gehoben. a) Mit welcher Kraft muss am Seil gezogen werden? b) Wie groß Arbeit? ist die verrichtete mechanische 3,5 80 kg 6. An einer Feder ist ein Körper befestigt. Der Körper wird angehoben und dann losgelassen. a) Beschreibe den Vorgang mit den Begriffen Arbeit, potentielle und kinetische Energie! b) Warum hört das Hin- und Herschwingen des Körpers nach einiger Zeit auf? Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 30 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4.5. Energie, Energieformen, Energieträger Ergänze die nachfolgende Übersicht durch Ausfüllen der Lücken! Energieformen Beispiele Energieträger angestautes Wasser gehobene Körper potentielle Energie Epot fahrendes Auto strömendes Wasser strömende Luft thermische Energie Etherm Steinkohle, hle Ko PROPAN elektrische Energie Eel Kernenergie Ekern Manuskript Mechanik I; ste 2008 Sonne Seite 31 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4.6. Energieumwandlungen Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 32 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4.7. Aufgaben Experimente aus Urknall 7 1. Lies die Doppelseiten 102 und 103 aufmerksam durch und löse anschliessend die folgenden Aufgaben. 2. Sonnen- und Windenergie, Höhenenergie sowie elektrische und innere Energie können in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Finde Beispiele dafür. Sonnenenergie Bewegungsenergie Solarauto Windenergie Bewegungsenergie Segelboot, Surfer Höhenenergie Bewegungsenergie fallendes Blatt, landender Vogel Chemische Energie Bewegungsenergie Verbrennungsmotor, Mensch, Tier Elektrische Energie Bewegungsenergie Elektromotor Wärmeenergie Bewegungsenergie Heissluftballon 3. 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. 4. 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? Skifahrer Segelflieger Drachenflieger Surfer 5. Experiment 39: Nimm die Versuchskarte 39 und lies sie aufmerksam durch. Führe den Versuch gemäss Anleitung exakt durch und schreibe ein ausführliches Versuchsprotokoll. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 33 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit Vervollständige den folgenden Satz: Was an eingespart wird, muss an Manuskript Mechanik I; ste 2008 zugegeben werden. Seite 34 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 6. Sie hat keine Zahnräder, Wellen, Antriebsgestänge oder sonstigen Teile, wie sich das für eine richtige Maschine gehört. Begründe, warum eine schiefe Ebene trotzdem als Maschine bezeichnet werden kann. 7. Finde heraus, welche der folgenden schiefen Ebenen gleich steil sind. Die erste Zahl gibt die zu überwindende Höhe an, die zweite den zurücklegenden Weg: 20/40 40/80 25/75 40/120 45/90 30/180 8. Vervollständige die folgenden „Je- Desto- Sätze im Zusammenhang mit der Kraft. Je länger der Weg, desto Je kürzer der Weg, desto Je kleiner der Neigungswinkel, desto Je grösser der Neigungswinkel, desto Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 35 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 4.8. Goldene Regel der Mechanik Was mit einfachen Maschinen, wie zum Beispiel einer Rampe bzw. einer schiefen Ebene, an Kraft gespart wird, muss an Weg zugelegt werden. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 36 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5. Hebel und Rollen 5.1. Hebelgesetz Manchmal sind Massen so gross, dass man sie kaum mit normalen Mitteln anheben oder bewegen kann. Wir behelfen uns dann mit Hebeln oder Rollen. Zeichne und beschrifte jeweils mit den wichtigsten Elementen einen zweiseitigen und einen einseitigen Hebel: l1 Lastarm, F1 Last l2 Kraftarm, F2 Kraft Es gilt: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 37 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.2. Rollen Um schwere Lasten zu Heben behändigt man sich mit Rollen und Flaschenzügen. Es gilt aber eine goldene Regel: 5.2.1. Feste Rolle Bei der festen Rolle ist die Rolle fest mit der Wand, der Decke oder sonst einem festen Gegenstand fixiert. Die Rolle kann sich also nicht bewegen. Dies ist die einfachste Art, eine Rolle einzusetzen. Eigenschaften der festen Rolle: • • • 5.2.2. Lose Rolle Bei der losen Rolle ist die Rolle nur mit der Last fixiert. Die Rolle bewegt sich zusammen mit der Last. Dies ist die einfachste Art, eine sehr schwere Last zu heben und entsprechend Kraft zu sparen. Eigenschaften der losen Rolle: • • • 5.2.3. Flaschenzug Der Flaschenzug ist eine Kombination von festen und von losen Rollen. Dies ist zwar eine kompliziertere Art eine Last zu heben, aber du kannst damit Kräfte sparen. Beim Berechnen der Kraftersparnis kommt es auf die Anzahl Tragseile an, an der die Last hängt. Du kannst dann die Zugkraft folgendermassen berechen: Im rechten Beispiel hängt die Last an 2 Tragseilen. Also ist die Kraft, mit welcher du am Seil ziehen musst, nur halb so gross wie die Gravitationskraft der Last. Du benötigst aber ein doppelt so langes Seil, um die Last heben zu können. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 38 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.2.4. Des Rieders Unfall (aus der Schmunzelkiste) (nach „Mein Name ist Eugen von Klaus Schädelin) Nun sei dem Rieder vor nicht allzu langer Zeit folgendes passiert: Er habe vom Estrich eine Ladung aufgestapelter Ziegel herunterschaffen wollen, und weil er sie nicht einfach hinabwerfen konnte und das Hinabtragen mühsam war, habe er am Ende des Seils ein kleines Lastbrettchen befestigt, es heraufgezogen, das andere Ende drunten an einen Baum gebunden, und dann habe er die Zie Ziegel zur Luke des Estrichs hinaus auf das Brett geladen, bis es voll war. Anschliessend sei er hinunter gegangen, um das Seil zu lösen und die Lasts sachte herabzulassen. Wie er aber das Seil in Händen hielt, erwies sich die Ziegelladung oben am Dach schwerer als der Herr Rieder unten auf der Erde, und darum hob es ihn wie eine Rakete in die Höhe, Im Hinauffahren streifte er sehr schmerzhaft die Ziegel und brach sich das Schlüsselbein. Aber er fuhr weiter hinauf und schmetterte zuoberst mit dem Kopf an das Vordach, während unten das Brettchen so unsanft zu Boden kam, dass die Hälfte der Ziegel herunterfielen. Somit bekam Herr Rieder in schwindliger Höhe das Übergewicht und fuhr sausend in die Tiefe. Während der Fahrt rammte er mit dem Schienbein das herauffahrende Brett, brüllte vor Schmerz, aber krachte eine Sekunde später auf den Boden der Innerschweiz, liess natürlich vor Schreck das Seil fahren und bekam sehr bald das Brett mit dem Rest der Ziegel aufs Haupt. Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 39 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.3. Berechnungsaufgaben 5.3.1. Aufgaben zu den Hebelgesetzen Die Hebel sollen sich im Gleichgewicht befinden. Ergänze die in den Tabellen fehlenden Werte! Zweiseitiger Hebel: Einseitiger Hebel: F1 l1 a) 2N 3 cm b) 4N 4 cm 8N 6 cm 18 2 cm c) 2N 8 cm d) c) d) F2 l2 6 cm 4N F1 l1 F2 a) 3N 6 cm 12 cm b) 2N 1 cm 4 cm 2,5 cm 3N l2 10 1 cm 6N 2 cm 5.3.2. Aufgaben zu den Rollen Rollen sind verschieden angeordnet. Die Gewichtskraft des angehängten Körpers beträgt jeweils 100 N. Welche Zugkraft FZ ist mindestens erforderlich, um die Last zu halten? a) b) c) d) FZ FZ FZ FZ FZ FZ FZ FZ 5.3.3. Aus der Praxis Eine Betonplatte wird mit Hilfe einer losen Rolle in 3,5 Höhe gehoben. a) Mit welcher Kraft muss am Seil gezogen werden? b) Wie groß Arbeit? ist die verrichtete mechanische 3,5 Manuskript Mechanik I; ste 2008 80 kg Seite 40 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.4. Experimente zu Hebel und Rollen 5.4.1. Viel Kraft im kurzen Arm Versuch 40 Zeit: 15 Minuten zu dritt Ziel Du findest eine wichtige Gesetzmässigkeit heraus, die dir im Alltag immer wieder Vorteile bringt. Material Drehlager Hebel 2 Massenstücke Auftrag Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 40 Auswertung Übertrage deine Messungen auf die Seite 42 und suche eine Gesetzmässigkeit. wichtig Justiere die Newtonmeter vor dem Einsatz genau und sorgfältig Newtonmeter 6N und 25N Stativlochplatte 5.4.2. Einseitige Kraftmaschine Versuch 41 Zeit: 25 Minuten Ziel Du findest heraus, wie mit dem einseitigen Hebel gearbeitet werden kann. Material Drehlager Hebel 2 Massenstücke Auftrag Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 41 Auswertung Notiere deine Ergebnisse und vergleiche sie mit den Resultaten aus dem Versuch 40. wichtig Justiere die Newtonmeter vor dem Einsatz genau und sorgfältig Manuskript Mechanik I; ste 2008 zu dritt Newtonmeter 6N und 25N Stativlochplatte Seite 41 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.4.3. Auswertung Viel Kraft im kurzen Arm Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 42 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.4.4. Ein Kran im Handbetrieb Versuch 42 Zeit: 10 Minuten zu dritt Ziel Du stellst fest, welche Vorteile eine Umlenkrolle bietet. Material Rad 55 mm 40 cm Nylonschnur 2 Massenstücke Auftrag Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 42 Auswertung Werte die beiden Versuche 42 und 43 zusammen aus. wichtig Justiere die Newtonmeter vor dem Einsatz genau und sorgfältig Newtonmeter 6N Verbindungsstecker Stativlochplatte 5.4.5. Lose Rollen fahren mit Versuch 43 Zeit: 15 Minuten Ziel Du lernst den Vorteil von losen Rollen gegenüber festen Rollen kennen. Material Auftrag Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 43 Auswertung Übertrage deine Erkenntnisse aus den beiden Versuchen in die Skizze unten. Welche Vor- und Nachteile besitzt eine lose Rolle, bzw. eine feste Rolle? wichtig Justiere die Newtonmeter vor dem Einsatz genau und sorgfältig 2 Räder 55 mm Bügel für Flaschenzug 70 cm Nylonschnur 2 Massenstücke Manuskript Mechanik I; ste 2008 zu dritt Newtonmeter 6N und 25 2 Schnellspannstecker Stativlochplatte Seite 43 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.4.6. Rollenspiel mit schweren Lasten Versuch 44 Zeit: 15 Minuten Ziel Mit mehreren Rollen baust du einen Flaschenzug und lernst seine erstaunliche Wirkung kennen. Material Auftrag Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 44 Auswertung Übertrage deine Erkenntnisse aus diesem Versuch in die Skizze unten und notiere Vor- und Nachteile eines Flaschenzuges. Wo siehst du den Einsatz im Alltag? wichtig Justiere die Newtonmeter vor dem Einsatz genau und sorgfältig 2 Räder 55 mm 35 mm 2 Bügel für Flaschenzug 110 cm Nylonschnur 2 Massenstücke zu dritt Newtonmeter 6N 2 Schnellspannstecker 2 Verbindungsstecker Stativlochplatte Schlussfolgerung: Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 44 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.5. Übungsaufgaben zu Hebel und Rollen 5.5.1. Schiffstau Lösung und Begründung: 5.5.2. Hebel Die Hebel befinden sich im Gleichgewicht. Markiere jeweils die Drehachse! Begründe! Am Hebel ist eine cm-Teilung angegeben. F2 1 a) b) c) F1 8 F2 4 Manuskript Mechanik I; ste 2008 F1 20 F2 12 F1 2 Seite 45 Schulzentrum Längenstein 7. Klasse NMM – Physik Kraft und Arbeit 5.5.3. Berechnungsaufgaben 1. Zwei Kinder spielen auf einer Schaukel. Das eine ist 40 kg schwer, das andere 45,7 kg. Das eine sitzt 54 cm vom Drehpunkt weg. Wie weit muss das andere vom Drehpunkt entfernt sein. damit die Schaukel im Gleichgewicht ist? 2. Du willst mit einem 50 cm langen Stab eine Last von m80 kg anheben. Du legst einen Stein unter deinen Hebel, so dass er 15 cm von der Last entfernt ist (Drehpunkt). Wieviel Kraft musst du aufwenden, damit sich die Last hebt? 3. Ein Amboss wiegt m240 kg. Du hängst ihn an einen Flaschenzug mit 6 Rollen und willst ihn um 1m anheben. a) Mit welcher Kraft musst du am andern Ende des Seiles ziehen? b) Wieviel Seil musst du mindestens zur Verfügung haben, damit du den Amboss um diesen 1 anheben kannst? (Kraftweg) 4. Ein Kran hat einen Ausleger von 20m. Hinter dem Kran ist im Abstand von 1,5m eine Sicherungslast von 50t befestigt. Welche Last kannst du maximal mit dem Kran heben, bei maximalem Ausleger? Manuskript Mechanik I; ste 2008 Seite 46