Arbeitsblatt: Physik Einführung

1. Teilgebiete Mit einem einfachen Vorgang, den Lichtschalter betätigen, können wir die klassischen Teilgebiete der Physik veranschaulichen: Wir drücken den Schalter Mechanik Wir hören ein Geräusch Akustik Strom fliesst Ein Magnetfeld entsteht Der Wendel glüht Elektrik Magnetismus Kalorik Die Lampe leuchtet Optik Im 20. Jahrhundert ist die Atomphysik dazu gekommen. Sie beschäftigt sich u. a. mit dem Aufbau der Atome aus Atomkern und Elektronenhülle. Die Physik untersucht u. a. die Gesetze, nach denen ein Körper verformt oder in seinem Bewegungszustand verändert wird. 2. Grundbegriffe 2.1 Körper In der Physik bezeichnet man jeden Gegenstand als Körper. Körper bestehen aus Stoffen. Sie können fest flüssig gasförmig (Eis, Holz, Stein, Eisen) (Wasser, Milch, Eistee, Öle) (Wasserdampf, Luft, Kochgas) sein. Die meisten Stoffe können in allen drei Aggregatzuständen (z.B. Eis – Wasser – Dampf) vorkommen. Alle Körper nehmen Raum ein. Sie haben ein Volumen. Bei geometrischen Körpern lässt sich das Volumen berechnen. Beispiel: 1Quader l • •h Volumen Länge • Breite • Höhe Beispiel: 2 Zylinder Gf Gf • 2 Vr ••h Höhe Grundfläche Volumen Kreisfläche • Höhe Bei unregelmässigen Körpern arbeitet man mit der Verdrängungsmethode. Eintauchen in ein Überlaufgefäss Das Überlaufgefäss Taucht man den Körper in ein zuvor bis zum Rand gefülltes Überlaufgefäss, fliesst genau so viel Wasser in den bereit gestellten Messzylinder, wie der Körper verdrängt. VerdrängungsMethode Definition: Jeder Körper verdrängt so viel Wasser (Flüssigkeit), wie er selbst Raum einnimmt. 2.2 Kraft Auf jeden Körper wirken Kräfte ein, die wir aber selbst nicht erkennen können. Wir stellen nur die Wirkung fest. Skizze Magnetfeld und Stahlkugel Plastilin Die Stahlkugel wird von ihrer Bahn durch die magnetische Anziehungskraft abgelenkt. Kräfte können den Bewegungszustand eines Körpers ändern, d.h. beschleunigen, abbremsen oder die Richtung ändern. Kräfte können Körper verformen. Zu jeder Kraft gehört eine gleich grosse Gegenkraft. 2.3 Die Gewichtskraft Die Kraft die auf jeden Körper einwirkt ist die Gewichtskraft. Definition: Die Gewichtskraft eines Körpers ist diejenige Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Körper ziehen sich gegenseitig an. Diese Kraft nennt man Anziehungskraft oder Gravitation. Sie ist abhängig von der Grösse der beteiligten Körper (je grösser die Masse der Körper, desto grösser die Gravitation) der Entfernung der beteiligten Körper (je grösser die Entfernung, desto kleiner die Anziehung). Die Gravitation darf nicht mit Magnetismus verwechselt werden. Nordpol 45 Nördl. Breite 45Südl. Breite Südpol Durch die Drehung der Erde um ihre Achse wird die Erde an den Polen abgeplattet. Ein Punkt am Äquator hat eine Geschwindigkeit von ca.1667km/h. (Äquatorumfang 4000 km 24h Zeit für eine Erdumdrehung) Nicht jeder Punkt an der Erdoberfläche ist daher gleich weit vom Zentrum entfernt. Da mit zunehmender Entfernung die Gravitation abnimmt, wird ein Körper am Äquator weniger angezogen als an den Polen. Die Gewichtskraft ist daher ortsabhängig. Um in der Physik einheitliche Definitionen zu ermöglichen, legte man sogenannte Normorte fest. Sie müssen folgende Bedingungen erfüllen: auf 45º Nördl. Breite oder Südl. Breite (Mittel zwischen Äquator und den Polen) und auf Meereshöhe liegen. Die Masseinheit für die Gewichtskraft ist das Newton (nach dem englischen Physiker Isaac Newton 1727) Im Normort wird ein Körper mit der Masse von 1kg mit einer Kraft von 9.81N ca. 10N angezogen. Bei Isaac Newton Beispiel für Newtons erste Regel: Jemand stolpert über eine Wurzel, weil er die Füsse nicht gehoben hat, und nicht weil das Schicksal am Werk war. Beispiel für Newtons zweite Regel: Wenn die Sonne und eine Glühbirne Licht ausstrahlen, hat das denselben Grund, nämlich die hohen Temperaturen. 2.4 Die Masse Im Gegensatz zur Gewichtskraft ist die Masse (m) (Stoffmenge) eines Körpers nicht ortsabhängig. Die Masseinheit für die Masse ist das Kilogramm (kg). Körper mit gleicher Masse werden am gleichen Ort gleich stark angezogen. Die Masse ist nicht etwa eine Kraft, sondern eine Eigenschaft des Körpers. Lösungen 1) Auf der Erde und auf dem Mond gilt 150kg (Masse ist ja ortsunabhängig!) FGE 1500 1.5kN auf dem Mond FGM 250N 2) a) Masse der Ladung auf der Erde 800N 10 N/kg 80kg Masse auf dem Mond 800N 10/6 N/kg 480 kg b) Gewichtskraft auf der Erde: 1200N (Mondauto) 800N (Ladung) 2000N Gewichtskraft auf dem Mond: 200N (Mondauto) 800N (Ladung) 1000N 3) 50g entsprechen 3.5N, daraus folgt 1kg entspricht 70N, folglich G1 5600N 5,6kN. (7fach gegenüber der Erde). Die Masse des Astronauten bleibt mit 80kg ortsunabhängig. 2.5 Die Dichte Die Waage zeigt uns: Beide Körper sind gleich „schwer. Holz nimmt viel mehr Raum ein als der Bleiwürfel. Bei gleichem Volumen sind unterschiedliche Materialien verschieden schwer. Holz Messing Eisen Blei Teilt man die Masse eines Körpers durch das Volumen, so erhält man einen Wert, der für ein bestimmtes Material immer gleich bleibt. Materialkonstante Masse (m) Formel: Dichte () Volumen (V) Beispiele: Korkwürfel: m5g 3cm •s • 3 3cm•3cm •3cm 27 cm3 V 5g 27cm3 Glaswürfel: 66 0,185 cm3 3cm •s • 3 3cm•3cm •3cm 27 cm3 V 66 27cm3 2,4 cm3 Masseinheiten: cm3 kg dm3 m3 1. Praktikum: Dichte 1.) Die Dichte eines unförmigen Körpers (Stein, mit Überlaufgefäss) berechnen/bestimmen. 2.) Das Material eines Körper mit Hilfe der Dichte und einer Tabelle (Physikbuch hinterste Seiten) bestimmen. 3.) Materialkonstante bestimmen: Bestimme die Dichte bei zwei unterschiedlich grossen Körpern aus demselben Material. Zur Darstellung: Skizze des Körpers mit Massangaben Skizze des Überlaufgefässes, Gewichtskraft Formel und Berechnungen mit Massangabe und Lösungsweg aufschreiben! Muskelkraft 2.6 Die Arbeit Geht hin und her Hält jemand in der ausgestreckten Hand ein Gewicht, so ermüdet er schnell. Trotzdem verrichtet er im physikalischen Sinn keine Arbeit. Geht jemand im Zimmer hin und her, so arbeitet er, obwohl er vielleicht nichts tut. Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft über eine Strecke (waagrecht/senkrecht) verschoben/angehoben wird. Definition: Arbeit Kraft Weg Abkürzungen: F s Die „Masseinheit der Arbeit ist Newtonmeter (Nm). Nm N m 1Nm 1 Joule 1 Ws 1 Joule ist die Arbeit, die aufgewendet wird, um einen Körper mit der Kraft von 1 Newton um 1 Meter zu verschieben oder anzuheben. Aufgaben zur Arbeit 1. Hans zieht sein Leiterwägeli mit einer Kraft von 60 700 weit. Welche Arbeit verrichtet er? Geg: 60 S 700 Ges: Formel: W 60 700 W 42‘000 Nm Hans verrichtet 42‘000 Nm. 2. Zwei Waldarbeiter schleppen einen Wurzelstock 23 weit. Im Mittel wenden sie dabei zusammen eine Kraft von 480 an. Berechne die Arbeit! 11‘040 Nm 3. Herr Saurer macht mit seinem Auto eine Ferienreise von 708 km Länge. Für seine Campingausrüstung hat er einen kleinen Anhänger an seinen Wagen gehängt. Die mittlere Zugkraft für den Anhänger beträgt 270 N. Welche Mehrarbeit muss Herrn Saurers Auto erbringen? Resultate in MJ. 4. Ein Lastwagenanhänger wird mit der Kraft 2,1kN 12 km weit gezogen. Berechne die Arbeit! Resultat in MJ. 5. Eine Lokomotive zieht einen Güterzug mit einer mittleren Kraft von 0,2 MN bergauf. Wie gross ist die Arbeit, wenn die Bergstrecke 15 km misst? Resultat in MJ. 6. Fritz mäht den Rasen. Er muss dabei zwanzigmal die ganze Länge des Rasens von 37 abfahren. Welche Arbeit verrichtet Fritz, wenn zum Stossen des Rasenmähers durchschnittlich eine Kraft von 63 nötig ist? 7. Es hat geschneit. Abwart Keller putzt den Pausenplatz und schiebt den Schnee mit einer mittleren Kraft von 165 jeweils 16 weit bis an den Platzrand. Er muss dies 53-mal tun. Welche Arbeit verrichtet Herr Keller? Runde auf kJ. 8. Um 5 cm Karton zu schneiden, muss man die Ringe der Schere mit 22 Kraft 4 cm gegeneinander bewegen. Karl schneidet einen Streifen von 1,20 Karton ab. Berechne seine Arbeit. Lernziele 1. Kennt die Teilgebiete der Physik und kann dazu ein Beispiel machen. 2. Grundbegriffe: Kann das Volumen des Quaders berechnen und kennt die drei Aggregatzustände. Kann die Verdrängungsmethode mit Skizze und Worten beschreiben. 3. Kraft: Kann die drei Wirkungen der Kraft aufzählen. 4. Gewichtskraft: Kennt die Definition und kann beschreiben wovon die Gravitation abhängig ist. Erklärt den Normort und die Bedeutung. 5. Die Masse: Kann erklären was mit Masse gemeint ist. 6. Kann Aufgaben (siehe Heft) zu Masse und Gewichtskraft lösen. 7. Die Dichte: Kann die Dichte berechnen, kennt die „Materialkonstante und die Masseinheiten. 8. Die Arbeit: Formel, Definition, Masseinheiten und Aufgaben kennen und kann Aufgaben dazu lösen. 2.7 Die Leistung Im Alltag kommt es oft darauf an, in welcher Zeit eine bestimmte Arbeit erbracht wird. Unter Leistung versteht man das Verhältnis zwischen Arbeit und der dazu benötigten Zeit. Formel: Abkürzungen: Leistung P Arbeit Zeit t Die Masseinheit für die Leistung ist das Watt (nach dem engl. Physiker James Watt 1819.) Definition: Die Leistung 1 Watt liegt dann vor, wenn die Arbeit von 1J in 1 Sekunde verrichtet wird. Neben dem Watt verwendet man bei den Motoren noch heute die veraltete Bezeichnung PS. 1 PS 736 Watt 0,736kW Aufgaben zur „Leistung Musteraufgabe: Stangenklettern Name Michael Simon Katja Ramon Masse in kg 65 41 45 42 Weg in 5 5 5 5 Zeit in 13 5 5 10 Vorgehen: 1. Arbeit berechnen WFs In unserem Beispiel handelt es sich um Hubarbeit. Da spielt die Gewichtskraft eine Rolle. Gewichtskraft FG Masse Beschleunigung 65kg 9.81 kg 637.65 (kg wird gekürzt) FG m Masseinheiten: kg kg N FG 637.65 5m 3188.25 Nm 3188.25 Ws 2. Arbeit in der Formel 3188.25 Ws 13s t einsetzen. 245.25 Michael leistet 245.25 Watt. Aufgaben zur „Leistung 1. Eine Zahnradbahn fährt in 5 Minuten ein steiles Streckenstück mit 400 Höhendifferenz hinab. Berechne die Bremsleistung, wenn, der Zug ein Totalgewicht von 60 hat. 2. 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 exakt 4 Meter hoch hebt! 3. Einfache Maschinen 3.1 Seil und Stange Seil und Stange sind technische Hilfsmittel. Sie übertragen Kräfte ohne die Grösse zu verändern. Skizzen 3.2 Feste Rollen Kraft 5N Last 5N Rollen haben den Vorteil eines geringen Reibungswiderstandes. Mit Hilfe einer festen Rolle und eines Seils kann man die Richtung, nicht aber die Grösse der Kraft, ändern. Kraft und Last sind immer gleich. 3.3 Lose Rollen fest 5N Kraft 5N bewegliche Rolle Last 10N Die lose Rolle hängt in einer Seilschlaufe. Daher verteilt sich die Last gleichmässig auf zwei Seile. So braucht man zum Heben nur eine halb so grosse Kraft. 3.4 Der Flaschenzug 4 Tragseile 2 feste Rollen 2 bewegliche R. Zugseil Eine Kombination mit losen und festen Rollen nennt man Flaschenzug. An einem Flaschenzug mit tragenden Seilen trägt jedes Seil 1n tel der Last. Es gilt daher: Zugkraft Gewichtskraft der Last n Tragseile Dafür ist der Kraftweg mal so gross wie der Lastweg. (Bild: Zusammenfassung Flaschenzug einkleben) 3.5 Der Hebel Je nach Anordnung des Drehpunktes unterscheiden wir: zweiarmiger Hebel einarmiger Hebel In beiden Fällen heisst die Entfernung vom Angriffspunkt der Last bis zum Drehpunkt Lastarm und vom Angriffspunkt der Kraft bis zum Drehpunkt Kraftarm. Bsp. Hebelgesetz: Das Produkt aus Last Lastarm ist gleich jenem aus Kraft Kraftarm. Das Gesetz gilt für ein und zweiarmige Hebel. KkLl Ll K Aufgaben: 3. 6 Die Grad 0 10 20 30 60 90 Kraft 0N 0,6N 1,5N 2,6N 4,5N 5,5N schiefe Ebene Der Versuch zeigt: Je steiler die schiefe Ebene ist, desto mehr Kraft müssen wir aufwänden, um das Wägelchen beim Wegrollen zu hindern. Die Messwerte bewegen sich zwischen 0 (horizontal) und dem Eigengewicht 5,5 (vertikal). Die Steigung ergibt sich aus dem Verhältnis der Höhe zur Länge. Höhe Steigung Länge Das gleiche Verhältnis besteht auch zwischen der Kraft und der Last. Das Gesetz der schiefen Ebene heisst: Höhe Länge Kraft Last oder : : Kl L hL h K L Höhe Länge Kraft Last Aufgaben: Geg: F2 40 N, Höhe 2m, Länge 5m Ges: F1 Voraussetzung: W1 W2 W2 F2 40N 2m 80Nm F1 Auf einer Baustelle soll eine Last (420 kg) um 6m angehoben werden. Der neben der Last stehende Motor zieht dazu ein Drahtseil, das über 3 lose und 3 feste Rollen läuft. Wie gross muss die Zugkraft des Motors mindestens sein? Wie viel Arbeit verrichtet er? Lösung: Bei drei losen und drei festen Rollen hängt die Last an sechs Seilstücken. Das bedeutet, dass die Zugkraft 1/6 der Gewichtskraft ist. FG 420kg • 10 N/kg 4‘200N Zugkraft: 4‘200N • 1/6 700N • 700N • 36m 25‘200Nm Zwei Holzschrauben sollen in das gleiche Brett geschraubt werden. Bei welcher benötigt man zum Eindrehen mehr Kraft? Begründe deine Antwort „physikalisch. Schrauben einkleben Lösung: Schraube 1 muss mit grösserer Kraft eingedreht werden, weil sie bei jeder Umdrehung etwa doppelt so tief ins Holz eindringt wie Schraube 2. Eine „abgewickelte Schraube wird zur einer schiefen Ebene. Bild (Fass einkleben) Ein Fass (m 60kg) soll auf einen Wagen geladen werden. a) Wie viel Kraft braucht man beim Hochheben? b) Das Hochrollen auf einer schiefen Ebene (z.B. einer Leiter) geht viel leichter. Wie viel Mal länger wird dadurch der Weg? Wie gross ist die Kraft? c) Berechne für beide Fälle die zu verrichtende Arbeit. Goldene Regel der Mechanik: Mit einfachen Maschinen wie Hebeln, Rollen, Flaschenzügen und schiefen Ebenen spart man zwar Kraft, dafür wird der Weg länger, den man zur Ausführung der Arbeit zurücklegt: Halbe Kraft doppelter Weg Ein Drittel der Kraft – dreifacher Weg Lernziele: Kann das Funktionsprinzip der einfachen Maschinen (Stange, Hebel, Rollen, Schiefe Ebene) erklären und kann Aufgaben (Anwendungen) dazu lösen.