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Ernst Klett VerlagStuttgart · Leipzig

ImpulsePhysik 7 – 10Arbeitsbuch 3

Lösungen

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Ernst Klett VerlagStuttgart · Leipzig

ImpulsePhysik 7 – 10Arbeitsbuch 3

Lösungen

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Das zugehörige Unterrichtswerk Impulse Physik Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3 wurde auf der Grundlage der

Ausgaben Impulse Physik Niedersachsen, Impulse Physik Hessen Sekundarstufe I, Impulse Physik Baden-Württemberg, Impulse Physik Thüringen, Impulse Physik Bayern, Impulse Physik Arbeitsblätter und Arbeits-blätter Plus Physik 1 + 2 erstellt.

Deren Autorinnen und Autoren sind: Heinz-Willi Bladt, Wilhelm Bredthauer, Klaus Gerd Bruns, Heinz

Joachim Ciprina, Dr. Bodo Cramer, Martin Donat, Christian Feldmann, Dr. Berthold Freytag, Jörn Gerdes,

Manfred Grote, Ursula Gutjahr, Georg Heinrichs, Rolf Herold, Dr. German Hacker, Dr. Thilo Höfer, Ulrich Janzen,

Walter Jordan, Florian Karsten, Tobias Kirschbaum, Reiner Kohl, Harald Köhncke, Martin Kramer,

Wolfgang Kugel, Helmut Kuhaupt, Jens Maier, Alexander Mittag, Detlef Müller, Dr. Michael Neffgen,

Norbert Nuscher, Johannes Opladen, Uwe Petzschler, Jürgen Reimers, Norbert Schell, Martin Schmidt,

Dr. Helmut Schmöger, Dr. Peter Siebert, Till Stephan, Sven Stötzer, Dr. Klaus Weber, Oliver Wegner,

Horst Welker, Anton Wiedemann, Nicola Wölbern, Christian Wolf, Michael Wolf, Dr. Frank Zimmerschied.

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelas-

senen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.

Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt

und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildung-

seinrichtungen.

Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlags.

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2016. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de

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Zum Unterrichtswerk Impulse Physik

Die grundlegende Konzeption von Impulse Physik Physikbücher werden immer noch selten im Unterricht herangezogen oder zu Hause von den Schülern zur Nachbereitung verwendet. Viele Lehrkräfte nutzen die Möglichkeiten eines Schul-buches nicht, weil es vermeintlich ihre methodische Freiheit einengt. Um diese Vorbehalte zu entkräften, wurde die Konzeption von „Impulse Physik“ vor allem daraufhin ausgelegt, Schüler zum selbsttätigen Wissenserwerb anzuregen und Lehrerin oder Lehrer größtmögliche Freiheit in der Unterrichts gestaltung zu bieten. Folgende Aspekte sollen dies verdeutlichen:

Verbesserung der Verwendbarkeit durch – Einschränkung der Zahl verwendeter Fachbegriffe, – Trennung von Beschreibung und Deutung, – Hervorheben typischer physikalischer Denk- und Arbeitsweisen, – Differenzierung des Stoffes in grundlegende und ergänzende Inhalte, – Bezug zu fächerübergreifenden Fragen mit Anregungen für Schülerreferate u. Ä., – Projektvorschläge mit Grundinformationen und Arbeitsaufträgen, – Strukturierung der Übungsteile mit Beispiellösungen, Gliederung nach Teilgebieten bzw.

Schwierigkeitsgrad, Einbezug experimenteller Heimversuche, zeitgemäße Aufgabenkultur.

Verstärkte Unterstützung von Schülerinnen und Schülern insbesondere durch – Anknüpfen der Inhalte an Alltag bzw. Lebenswelt von Mädchen und Jungen, – unterrichtsnahe Beschreibung von Experimenten, – Stoffbeschränkung und verringerte Zahl nicht zwingend notwendiger Fachbegriffe, – geschlossen formulierte Darstellungen, die sich auf das Wesentliche konzentrieren, – Verständnis ohne Bindung an bestimmte Unterrichtswege, – Visualisierung durch Textgliederung und in sich verständliche Illustrationen, – interessante Zusatzinformationen, die klar vom Lehrtext abgehoben werden, – Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte durch Rückblicke mit Fragen und Bildern

aus der täglichen Erfahrungswelt.

Verstärkte Unterstützung bei der eigenen Unterrichtskonzeption durch– ein Bausteinprinzip mit einer übersichtlichen Gestaltung und Stoffzuordnung, welches

Varia tionen des Unterrichtsganges in weiten Grenzen erlaubt,– zahlreiche Konstruktionsmöglichkeiten eines eigenen Unterrichtsganges, ohne dass die Nach-

bereitung mit dem Buch für die Schülerinnen und Schüler erschwert wird, – Schwerpunkt auf tragenden, traditionellen Schulexperimenten und einfachen Handversuchen

gleichermaßen mit der Möglichkeit zur individuellen Ergänzung und Abänderung,– Optionen für zahlreiche Schülerexperimente und einfache Freihandversuche,– nachvollziehbare Kriterien für eine Stoffbeschränkung, exemplarische Darstellung der Denk-

und Arbeitsweisen, Vermeiden unnötiger Fachbegriffe,– Trennung von Versuchsbeschreibungen und Lehrtext, sodass die experimentelle Leitlinie und

damit das physikalische Denken deutlich gemacht werden kann.

Formale Gliederung von Impulse Physik

„Impulse Physik“ ist ein nach verschiedenen Anforderungen modularstrukturiertes Lehrwerk. Der Lehrgang im Buch zeichnet sich durch seine geradlinige Sprache und seine Anpassungs-fähigkeit an den tatsächlichen Unterricht aus. Die Konzeption von „Impulse Physik“ beruht auf einer Optimierung des physikalischen Lernstoffes durch bewusste Auswahl der Fachbegriffe ohne inhalt liche Abstriche. Die Auswahl zusätzlicher Inhalte schafft zusammen mit der modularen Anordnung Freiräume für individuelle Anordnungen und Schwerpunkte. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, hat das Werk eine äußerlich leicht erkennbare Struktur erhalten:

Effizientes Lernen außer-halb des Unterrichts

Motivation und schüler-gerechte Lern hilfen

Methodische Freiheit und variable Unterrichts-vorbereitung

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Zum Aufbau von Impulse Physik Arbeitsbuch

Der Inhalt des „Impulse-Physik-Arbeitsbuches“ wird in die durch den Lehrplan vorgegebenen Themenfelder aufgeteilt. Alle Kapitel des Lehrbuches sind in ihrem Aufbau gleichartig gestaltet. Es gibt lediglich sieben verschiedene Bausteine, MODULE. Innerhalb eines Moduls ist der Text in zwei Spalten angelegt (Ausnahmen sind die Arbeitsblätter und die Teste-dich-selbst-Seiten). Bei den Darstellungen in der Randspalte handelt es sich um ergänzende Informationen, die allerdings bestimmte Gesichtspunkte besonders deutlich hervorheben sollen. Die Abbildungsnummerierung beginnt auf jeder Seite neu. Im Einzelnen handelt es sich um folgende Module:

Alle Kapitel bzw. Themenfelder beginnen mit einer Kapiteleinstiegsseite.

Funktion:– Motivation für Schüler und Orientierung über Zielsetzung (Interesse und Neugier wecken), – Anregung für Lehrer zum Unterrichtseinstieg (liefert wesentliche Gedanken zum zentralen

Inhalt des Kapitels),– äußerlich erkennbarer Beginn eines neuen Themas.

Dieser Text enthält die experimentellen Grundlagen für den folgenden Lehrtext. Dieser MODUL kann in einem Kapitel mehrmals auftreten und ist auf hellblauem Hintergrund gedruckt. Die Versuche werden in jedem MODUL 2 neu gezählt.Der Versuchsaufbau wird nur bei Bedarf (gegenständlich) gezeigt. Gelegentlich sind wichtige Hinweise zur Durchführung angegeben. Im Text werden Aufbau, Durchführung und Beobach-tungen (u. a. durch Messwerte), jedoch ohne Erklärungen, beschrieben. Diese experimentelle Basis information bietet so Freiraum für eigenständiges physikalisches Denken. Ergänzende Versuche werden in MODUL 4, MODUL 5 oder in MODUL 6 als Freihandversuche, Heimversuche, eigenständige Projektarbeiten, Bastelanleitungen etc. dargestellt.

Funktion:– Beschreibung der Grundversuche als praxisgerechtes Angebot ohne Verpflichtung, – Bereitstellung der experimentellen Aussagen für MODUL 3.

Dies ist der Hauptlehrtext des Buches mit der Wiedergabe der Probleme, Begriffsdefi nitionen und Erläuterungen im Begründungszusammenhang. MODUL 3 kommt in jedem Kapitel, meist mehrfach – jeweils im Anschluss an ein MODUL 2 und im Wechsel mit MODUL 4 oder 5 – vor. Der Text ist in kleine, sprachlich möglichst einfache Absätze gegliedert. Hervorhebungen im Text (halbfett) und rote Punktmarkierungen weisen auf besonders wichtige Formulierungen hin. Zur Veranschaulichung dienen Fotos der Phänomene oder Grafiken. Nur wesentliche und allgemein gültige experimentelle Details werden dargelegt. Die Zielsetzung des Textes wird durch Über-schriften und durch Hervorhebungen der wichtigsten Inhalte (Merksätze, Begriffsdefinitionen, zusammenfassende Grafiken und Tabellen) klar erkennbar. Die Anzahl der Abbildungen richtet sich nach den inhaltlichen Erfordernissen.

Funktion:– Thematisierung der wesentlichen Phänomene, Versuche, Erklärungen, Anwendungen (dabei

erhält anfangs die strukturgerechte Wiedergabe der Physik mehr Bedeutung als die fachliche Präzision in einschränkenden oder ergänzenden Details),

– Schilderung des experimentellen Zusammenhanges unabhängig von der unterrichtlichen Situation (im Normalfall ohne explizite Verweise auf die Versuche in MODUL 2),

– oft Überprüfung des Grundwissens durch Kontrollfragen am Modulende.

Klare Gestaltungs-merkmale der Bausteine (Module)

MODUL 1 Kapiteleinstieg

MODUL 2 Versuche

MODUL 3 Grundwissen

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In diesem Modul („Physik überall“) sind überschaubare Erweiterungen und Vertiefungen des Stoffes enthalten, die nicht unbedingt zum weiteren Verständnis des Lehrganges in MODUL 3 erforderlich sind. Sie sprechen Themen an, die dem allgemeinen Wissensbedürfnis der Schüler entgegenkommen: Übersichten und Bezüge zur Umwelt, Informationen aus der Technik, Medizin, Geschichte etc. In Bezug auf die Herstellung von Kontexten und zur Schulung der Transferfähig-keit ist der Modul Anregung und Leitfaden zugleich. Der MODUL 4 kann mehrfach im Wechsel mit MODUL 3 auftreten. Der Text ist mit einer hellbraunen Unterlegung des ganzen Textes von MODUL 3 unterschieden.

Funktion:– Erweiterung und Vertiefung in anspruchsvollerer Sprache und Informationsdichte, – enthalten auch die über den Text in MODUL 3 hinausgehenden vertiefenden Lehrplan-

forderungen, – Texte eignen sich zur Niveaudifferenzierung,– bieten Zusatzstoff für interessierte Schüler.

Auf zusätzlichen mit blauen Fahnen und grauem Hintergrund kenntlich gemachten Kompetenz-Seiten werden inhaltsnah typische Vorgehensweisen und Arbeitsmethoden der Physik bzw. Natur-wissenschaften beschrieben, um die Schülerinnen und Schüler auch stärker zu selbstständigem Experimentieren, Modellieren und Formalisieren anzuleiten und zu motivieren und ihr spezifi-sches Methodenrepertoire zu erweitern und zu festigen. Der mathematisierende Charakter dieser Seiten nimmt im Verlauf der Schuljahre zu. Am Anfang werden somit auch noch grundlegende Arbeitstechniken wie z. B. Protokoll- und Versuchsführung sowie allgemeine Kompetenzen wie z. B. Präsentieren von Ergebnissen vorgestellt.

Funktion:– Förderung der naturwissenschaftlichen Methodenkompetenzen,– behutsame, aber beständige Heranführung an Mathematisierung von physikalischen

Problemen,– Motivation der Schülerinnen und Schüler zum selbstständigen planmäßigen Experimentieren

und Auswerten.

Verwandt mit den Kompetenz-Seiten sind die Werkstatt-Seiten. Auf diesen Seiten findet die Lehr-kraft Anregungen für experimentelle Unterrichtsphasen, auch in methodischen Variationen (Lern-stationen, experimentelle Partner-/Gruppenarbeit, Gruppenpuzzle usw.)

Funktion:– Motivation der Schülerinnen und Schüler zum selbstständigen planmäßigen Experimentieren

und Auswerten.

Der Modul enthält an entsprechenden Stellen im Kapitel ganzseitige Arbeitsblätter mit pass-genauen Inhalten zum Üben, Vertiefen, Kontrollieren und Experimentieren.

Funktion:– Angebot von praktischen Übungs- und Vertiefungsaufgaben,– Anregung zu praktischen Schülerexperimenten,– Auswahlmöglichkeiten durch umfangreiches Aufgabenmaterial.

Der Modul enthält ganzseitig Kontrollfragen zu dem jeweiligen Themenfeld zur Selbstkontrolle mit Online-Code zum Nachschlagen der Lösungen.

MODUL 4 Ergänzungsteil

MODUL 5A Kompetenz

MODUL 5B Werkstatt

MODUL 6 Arbeitsblätter

MODUL 7 Teste dich selbst

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Hinweise zur Arbeit mit dem Buch

Im Physikunterricht ist ein abwechslungsreiches methodisches Vorgehen erforderlich. „Impulse Physik“ bietet dazu vielfältige Möglichkeiten unter Berücksichtigung neuerer Ergebnisse der Lehr- und Lernforschung. Der Wissenserwerb wird heute als Einbettungs- und Verankerungs-prozess ge sehen, bei dem Neues in eine bestehende individuelle Struktur, die sich aus Erfahrun-gen des Individuums aus der Vergangenheit herausgebildet hat, eingeknüpft werden muss. Dieses Einknüpfen ist aber kein Subsumieren, sondern ein aktiver Vorgang, der seinerseits wieder zu einer Bereicherung der Struktur führt, indem neue Verknüpfungen entstehen. Folgerungen aus dieser Sicht weise des Lernens für den Unterricht sind: unterschiedliche Zugangswege, Handlungsorientierung, Aktivierung des Vorwissens, Nachhaltigkeit und Lernerautonomie. Unter Lernerautonomie wird dabei die Möglichkeit der eigenen Auseinandersetzung mit den Lern-gegenständen und die Möglichkeit, den eigenen Lernweg zu reflektieren, verstanden. Methodische Hilfestellungen dazu bietet das Buch mit seinen verschiedenen handlungsorien-tierten Zugangswegen an. Während die Lesetexte auf den Physik-überall-Seiten Kontexte herstellen, oft fächerübergreifen-den Charakter haben und die Bedeutung der Physik für Mensch und Gesellschaft aufzeigen, bilden die Arbeitsblätter, Kompetenz- und Werkstatt-Seiten einen weiteren Schwerpunkt des Buches. Auf den verschiedenen Kompetenz-Seiten werden immer wieder typische Vorgehens-weisen der Physik, wie z. B. Versuchsprotokoll erstellen, physikalisch argumentieren usw., aber auch allgemeine Kompetenzen, wie z. B. Ergebnisse präsentieren, thematisiert. Die Werkstatt-Seiten und Arbeitsblätter geben Anregungen für eigenständiges Handeln der Schülerinnen und Schüler entweder in Form von Lernstationen oder in Form von Unterrichtssituationen für Partner- oder Gruppenarbeit. Diese Seiten müssen keineswegs alle und auch nicht in gleicher Gewichtung im Unterricht behandelt werden.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2016 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3, Lösungen zu 7 Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3 (ISBN: 978-3-12-772286-4)

Elektrizität und System Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Die Stärke des ElektronenstromesA1 0

Haushaltsgerät Wirkungen

Toaster Vor allem Wärmewirkung

Wasserkocher Wärmewirkung

Glühlampe Licht- und Wärmewirkung

Leuchtstofflampe Licht- und Wärmewirkung

LED Vor allem Lichtwirkung

Mixgerät Magnetische Wirkung und Wärmewirkung

Lautsprecher Magnetische Wirkung und Wärmewirkung

Elektrische Zahnbürste Magnetische Wirkung und Wärmewirkung

Rasierapparat Magnetische Wirkung und Wärmewirkung

Fernsehapparat Licht- und Wärmewirkung (bei Röhrengeräten auch magnetische Wirkung)

Die Stärke des ElektronenstromesA1 0 3 A = 3 000 mA; 0,15 A = 150 mA; 0,08 A = 80 mA 1 500 mA = 1,5 A; 270 mA = 0,27 A; 50 mA = 0,05 A

Elektrische Spannung und elektrische LeistungA1 $ Die Platte setzt bei 230 V 2000 VA = 2000 W Leistung um. D. h., in ihr sind Stromstärken von 2000 VA/230 V = 8,7 A möglich.

Elektrische Energie und die Größen im StromkreisA1 $ E el = U · · t = 6 V · 5 A · 60 s = 1 800 J

A2 0 E el = E H = F G · h ⇒ h = E el

__  F G = 1800 J

___ 9,81 N = 183,5 m

A3 0 E el = E innere = c W · m · ð T ⇒ ð T = E el ___  c W · m   =

1,800 kJ ______ 

(  4,19 kJ ___ kg · K · 1 kg )

= 0,43 K

Das Ohm’sche GesetzA1 0

U in V 1 2 3 4 5 6 7

¯ in A 0,2 0,39 0,61 0,85 1,15 1,45 1,82

R in Ð 5 5,13 4,92 4,7 4,35 4,14 3,85

Der Widerstand sinkt.

A2 $

Eisendraht in Wasser ¯ = 0,36 A/V · U

Konstantan ¯ = 0,12 A/V · U

Widerstand und TemperaturA1 $ Im Wasser bleibt die Temperatur des Eisendrahts bei Strom unterschiedlicher Stärke kon-stant. Daher verändert sich der Widerstand des Drahtes nicht. Stromstärke und Spannung sind unter diesen Bedingungen proportional zueinander, das Ohm’sche Gesetz gilt.

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Die „verstopfte“ Leitung: Drähte sind Widerstände!A1 $ Beim Experimentieren muss man darauf achten, dass man unterhalb der Sättigungsgrenze bleibt, da der Auflösungsvorgang insgesamt sehr lange dauert. Außerdem sollte nach Zugabe des Zuckers gründlich umgerührt werden. Man stellt fest, dass nur die Wassertemperatur Einfluss auf die Auflösungszeit hat.

A2 . Man benötigt ein Stromstärke-, ein Spannungsmessgerät und eine geeignete elektrische Quelle oder alternativ ein Widerstandsmessgerät, sowie Drahtstücke unterschiedlicher Dicke, aber gleicher Länge. Die Drahtstücke werden nacheinander in Reihe zu dem Stromstärkemessgerät geschaltet (bzw. alternativ an das Widerstandsmessgerät angeschlossen). Die Abhängigkeit zur Länge eines Drahtes kann man durch einen variablen Abgriff mit Hilfe einer Krokodilklemme bestimmen. Es ist darauf zu achten, dass sich die Drähte nicht erwärmen.

Verzweigungen im StromkreisA1 0 Individuelle Schülerlösungen

A2 $ Individuelle Schülerlösungen


Verzweigte und unverzweigte StromkreiseA1 0 Parallelschaltung: Autoinnenbeleuchtung, Haushaltsstromkreis. Reihenschaltung: alle Notschaltkreise bzw. Sicherungsschaltkreise, Betriebsschalter an gefährlichen Geräten (Hecken- schere, Kettensäge).

A2 0 Entweder durch einfaches Entfernen eines Gerätes aus dem Stromkreis oder genauer durch Messung von Stromstärken und Spannungen entsprechend der vorgestellten Formeln.

Widerstände in Reihe geschaltet

A1 0 ¯ = U  ____  R 1 + R 2 = 10 V

______  100 Ð + 200 Ð  = 0,033 A = 33 mA

Widerstände parallel geschaltetA1 $ Eine Parallelschaltung ist im Wassermodell eine Parallelschaltung aus zwei Wasserleitun-gen mit zwei parallelen Verengungen. Das Wasser kann also durch die geringere Verengung (kleinster Widerstand) und kann zusätzlich noch durch die stärkere Verengung. Dies ist insgesamt natürlich besser, als „nur“ den Weg durch die geringere Verengung zur Verfügung zu haben. Man könnte auch an einen Saal mit Menschen denken. Gehen alle Menschen aus dem Saal durch eine große Türe (kleiner Widerstand) und eine kleine Türe (großer Widerstand), so ist der Saal schneller leer als wenn die Menschen nur durch die große Türe hinausströmen. Der Gesamtwiderstand muss also kleiner als jeder einzelne Widerstand sein (insbesondere also auch kleiner als der kleinste Einzelwiderstand). Anmerkung: Gerade bei der Berechnung in Parallelschaltungen kommt es aufgrund der Kehrwert-bildung häufig zu Fehlern, die mit diesem Wissen ( R ges < R i für alle i) erkannt und somit verhin-dert werden können.

A2 .

1. Weg: R ges = U ges

_ Ø ges = 6 V

_ 0,8 A = 7,5 Ð

2. Weg: 1 _ R ges = 1 _ R 1

+ 1 _ R 2 = 1 __ 10 Ð  + 1

__ 30 Ð  = 4 __ 30 Ð  ⇒ R ges = 30

_ 4 Ð = 7,5 Ð

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Widerstand und LeistungA1 $ Da die Zeit für alle Widerstände als gleich betrachtet werden kann, verhält sich die um-gesetzte Energie jeweils wie die Leistung (E = P · t, E 1 / E 2 = P 1 · t/ P 2 · t = P 1 / P 2 ). Somit gilt: Die umgesetzte Energie teilt sich bei parallel geschalteten Widerständen im umgekehrten Ver-hältnis wie die Widerstände auf. Die umgesetzte Energie teilt sich bei der Reihenschaltung von Widerständen im Verhältnis der einzelnen Widerstände auf.

A2 . Der dicke Draht hat einen kleineren Widerstand als der dünnere. In einer Parallelschaltung setzt er somit die größere Leistung um und glüht dadurch schneller. In einer Reihenschaltung verrichtet dagegen der größere Widerstand, also der dünnere Draht, mehr Leistung.

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Maschinen und Energie Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Energie wird berechnetA1 0

Energieform beobachtbare Größen

Spannenergie Auslenkung s einer Feder / Federkonstante D

Bewegungsenergie Geschwindigkeit / Masse

elektrische Energie Stromstärke / Spannung / Zeit

innere Energie Temperatur / Masse

Lichtenergie Helligkeit (als messbare Größe nicht behandelt)

Energie wird berechnetA1 $ In beiden Fällen steht gleich viel Höhenenergie zur Verfügung, die in Bewegungsenergie überführt wird. Die gleiche Geschwindigkeit deutet darauf hin, dass die Geschwindigkeit nur von dieser zur Verfügung stehenden Höhen- bzw. Bewegungsenergie abhängt und nicht von der Frage, in welcher Weise beschleunigt wird.

EnergieentwertungA1 $ Arbeitsbuch 3, S. 42, B3 zeigt, wie beim Jo-Jo Höhenenergie in Bewegungsenergie und diese wieder in Höhenenergie überführt wird. Wenn dabei keine andere Energieform auftritt, kann der Prozess ohne Ende weitergehen. Energie wird nicht entwertet.B4 zeigt, dass Höhenenergie vollständig in innere Energie überführt wird. Diese kann nur ein-geschränkt in andere Energieformen überführt werden. Hier wird also Energie entwertet.

EnergieentwertungA1 0 Das rechte Bild muss ganz nach links. Dabei wird angenommen, dass bei jedem Auftreffen ein Teil der Energie in innere Energie überführt wird, die für den weiteren Prozess nicht mehr verfügbar ist.

A2 $ Die Behauptung ist richtig:Es würden folgende Energieumsetzungen stattfinden:Von links nach rechts: E S ⇒ E B ⇒ E H Von rechts nach links: E H ⇒ E B ⇒ E S

Energie und KraftA1 $ Hier ist ein Experiment erforderlich. Je nach Anzahl der Rollen ist F kleiner und s größer.ð E H = 9,81 N · 0,2 m = 1,96 J. Je nach Qualität der Apparatur (Reibung, Gewichtskraft der beweg-lichen Rollen) dürfte die ermittelte Arbeit etwas größer ausfallen.

Energie und KraftA1 $ Die Leistung 80 kW setzt sich aus den beiden Faktoren F und v zusammen:Beim Traktor ist seiner Bestimmung entsprechend F groß und demgemäß v klein, beim Motor-rad ist es umgekehrt. Ein Motorrad ist deswegen nicht zum Pflügen geeignet.Pkws sind ihrer Bestimmung entsprechend alle auf einen gewissen Geschwindigkeitsbereich ausgelegt. Deswegen ist es sinnvoll, z. B. für das Ziehen eines Wohnwagens auf eine höhere Leistung zu achten. Der Schluss auf eine größere Kraft ist zulässig, weil man von ähnlichen Geschwindigkeitswerten ausgehen kann.

Kraftwandler: Seil – Rolle – FlaschenzugA1 $ Die feste Rolle ändert die Richtung der Kraft, die lose auch noch den Betrag der Kraft.

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Kraftwandler: Seil – Rolle – Flaschenzug A1 $ Der Flaschenzug muss über vier tragende Seilstücke verfügen. Mit drei Rollen ist er z. B. zu realisieren wie im Arbeitsbuch 3, S. 47, B2d bzw. S. 49, B3b.

Klettern mit Seil und Rollen A1 0 Die Zugkraft links ist immer genauso groß wie die Gewichtskraft rechts. Die gezogene Länge Seil entspricht der Hubhöhe.

A2 0 Die Zugkraft ist nur halb so groß wie die Gewichtskraft. Die gezogene Seillänge ist doppelt so groß wie die Hubhöhe.

A3 $ Die Kraft verteilt sich auf vier Seilstücke und beträgt deswegen nur noch ein Viertel der Gewichtskraft der angehängten Masse. Die gezogene Seillänge ist viermal so groß wie die Hubhöhe.

Kraftwandler: Hebel und schiefe EbeneA1 $ Archimedes wollte damit wohl andeuten, dass prinzipiell nur der Hebel lang genug sein muss, um auch einen Körper mit einer solch gewaltigen „schweren“ Masse anzuheben. (Hier kann sich eine Diskussion anschließen, wieso die Erde selbst in diesem Sinn nicht „schwer“ sein kann, da sie ja selbst die „Schwere“ verursacht.)

Kraftwandler: Hebel und schiefe EbeneA1 $ Vorausgesetzt man tritt immer nur senkrecht nach unten: In der „12-Uhrstellung“ und „6-Uhrstellung“ (Pedal senkrecht) hat der Hebelarm die Länge null. In der „3-Uhrstellung“ und „9-Uhr stellung“ (Pedal waagerecht) hat der Hebelarm die maximale Länge. Die Änderung der Hebel armlänge mit dem Drehwinkel wird durch eine Sinusfunktion beschrieben.

Kraftwandler: Hebel und schiefe EbeneA1 $ Je steiler die Fläche, desto geringer wird die Normalkraft auf die Unterlage und desto größer wird die Hangabtriebskraft.

Kräfte am FahrradA1 $ Befinden sich vorne doppelt so viele Zähne wie hinten, so hat sich schon bei einer halben Umdrehung des Kettenblattes das Hinterrad einmal ganz gedreht. Für schnelles Fahren ist es also günstig, vorne viele Zähne und hinten wenig Zähne zu verwenden.

A2 . Bei der Kettenschaltung kann die Kette sowohl vorne an der Kurbelgarnitur, als auch hin-ten am Zahnkranz um verschieden große Zahnräder gelegt werden (z. B. vorne drei Zahnräder, hinten sieben). Dadurch können verschiedene Zahnradkombinationen eingestellt werden (im Beispiel sind es 21). Bergauf wählt man dann vorne ein kleines und hinten ein großes Zahnrad, bergab wählt man vorne groß und hinten klein. Bei gleichbleibender Kraft F 1 ist im ersten Fall F 2 groß und im zweiten Fall F 2 klein. Dafür muss man im ersten Fall mehr treten, d. h. mit den Pedalen einen größeren Weg zurücklegen.

A3 $ Bei einer Umdrehung der Pedale dreht sich hier das Antriebsrad ebenfalls nur einmal. Schnelleres Fahren ist daher nur durch schnelleres Treten, d. h. mehr Umdrehungen pro Zeit, möglich. Zusätzlich hatte bei diesen Fahrrädern das Antriebsrad einen sehr großen Durchmesser, sodass bei einer Umdrehung schon ein großer Weg zurückgelegt wird.

Wirkungsgrad von Energieübertragung

A1 0 g ges = g 1 · g 2 · g 3 · g 4 · g 5 = g 5 1 = 0,77

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Wärmekraftmaschinen – Der WirkungsgradA1 $ 1 400 MW elektrische Leistung bedeuten bei einem Wirkungsgrad von 40 %

1 400 MW · 6 ______ 4 = 2 100 MW „Wärmeleistung“. Pro Jahr ist damit die Energie

 E heiz = 2 100 MW · 365 · 24 h = 1,8 · 10 7 MWh = 1,8 · 10 10 kWh verfügbar.

Damit ließe sich der Energiebedarf von 1,8 · 10 10 kWh

______ 6 000 kWh = 3 000 000 Haushalten decken.

Zur Nutzung der Verlustenergie müsste Energietransport vom Kraftwerk zu den Häusern erfolgen, z. B. wie in der Warmwasserheizung durch Rohrleitungen. Dies ist mit technischem Aufwand und Energieverlusten verbunden (bei dem großen Angebot wären letztere evtl. nicht entscheidend). Der technische Aufwand ist mit wirtschaftlichem Aufwand verknüpft, der evtl. gegen eine solche Vorgehensweise spricht. Der technische Aufwand ist wahrscheinlich geringer, wenn Haushalt und Kraftwerk nahe beieinander sind. Bei der großen verfügbaren Energiemenge würde das zu Kraft-werksstandorten in dichtbesiedelten Bereichen führen müssen.

A2 . Die innere Energie aus dem Heizkreislauf muss den Nutzern über Leitungen zugeführt werden. Dabei treten Verluste auf. Deswegen muss die Temperatur auch im Heizkreislauf hoch genug sein, in der Regel höher als wenn nur elektrische Energie bereitgestellt wird. Daher ist für diesen Teil der Wirkungsgrad kleiner.

Einen Vortrag haltenA1 . Individuelle Schülerarbeit

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Aufträge S. 63

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2016 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3, Lösungen zu 13 Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3 (ISBN: 978-3-12-772286-4) Grafik: Alfred Marzell, Schwäbisch Gmünd

Information und Signal Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Widerstände metallischer Leiter und HalbleiterA1 $ Halbleiter haben eine geringere Leitfähigkeit bei Raumtemperatur als Metalle. Im Gegen-satz zu diesen erhöht sich die Leitfähigkeit mit dem Erhitzen, da mehr freie Elektronen entstehen.

Elektrische Leitung und TemperaturA1 $ Der Widerstand vieler Leiter ist durch Energiezufuhr zu beeinflussen. Bei Eisen nimmt durch Temperaturerhöhung der Widerstand zu, bei Heißleitern verringert sich der Widerstand. Beleuchtung vermindert den Widerstand eines LDR. Eine besondere Legierung ist Konstantan: Eine Temperaturveränderung wirkt sich von Zimmertemperatur bis zu mehreren hundert Grad Celsius kaum auf den elektrischen Widerstand von Konstantan aus.

Leuchtdiode und SolarzelleA1 $ Die im Bild dargestelle Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung liefert die gefor-derten Werte für Spannung und Stromstärke.

Experimente planen und durchführenA1 . Versuch 1: Untersuchung der Abhängigkeit der elektrischen Energie von der beleuchteten Fläche:Dazu wird bei konstanter Helligkeit der Lampe mithilfe der vorbereiteten Pappen nacheinander 1⁄ 4, 1⁄ 2, 3⁄ 4 der Solarfläche abgedeckt. Zum Vergleich der Energieströme beobachtet man die Dreh-zahl des Motors und die Stromstärke des Amperemeters. Die Ergebnisse werden notiert.

Versuch 2: Untersuchung der Abhängigkeit der elektrischen Energie vom Abstand zwischen Solar-zelle und Lichtquelle:Dazu wird bei konstanter Helligkeit der Lampe für verschiedene Abstände zwischen Solarzelle und Lampe der Energiestrom durch Beobachtung der Drehzahl des Motors und der Stromstärke des Amperemeters verglichen. Die Ergebnisse werden notiert.

Versuch 3: Untersuchung der Abhängigkeit der elektrischen Energie von der Stellung der Solar-zelle:Dazu wird bei konstanter Helligkeit der Lampe für verschiedene Stellungen der Solarzelle der Energiestrom durch Beobachtung der Drehzahl des Motors und der Stromstärke des Ampere-meters verglichen. Die Ergebnisse werden notiert.

Versuch 4: Untersuchung der Abhängigkeit der elektrischen Energie von der Art der Lichtquelle:Dazu wird bei konstanter Helligkeit der Lichtquelle, die man mit einem Luxmeter bestimmt, der Energiestrom durch Beobachtung der Drehzahl des Motors und der Stromstärke des Ampere-meters verglichen. Die Ergebnisse werden notiert.

Versuch 5: Untersuchung der Abhängigkeit der elektrischen Energie von der Farbe des Lichts:Dazu werden bei konstanter Helligkeit der Lichtquelle verschiedene Farbfilter vor die Lampe gehalten. Der Energiestrom wird durch Beobachtung der Drehzahl des Motors und der Strom-stärke des Amperemeters verglichen. Die Ergebnisse werden notiert.

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Ändert man bei einem Versuch zwei Dinge, so kann man die Auswirkung der Änderungen nicht genau zuordnen. Das ist im Versuch 5 nicht auszuschließen. Die Farbe des Lichts wird durch Absorption gewisser Anteile des weißen Lichts einer Glühlampe verändert. Dabei ist es nicht auszuschließen, dass z. B. das rote Licht weniger Beleuchtungsstärke aufweist als das blaue Licht.

A2 . Die gesamte Sonneneinstrahlung auf das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland liegt bei etwa 350 000 Mrd. kWh pro Jahr. Mit einem Umsetzungswirkungsgrad von 10 % könnte man aus der einfallenden Strahlungsenergie theoretisch 35 000 Mrd. kWh elektrische Energie erzeugen. Das entsprach 2006 dem 64-fachen des Bedarfs an elektrischer Energie von 540 Mrd. kW h in Deutschland (Quelle: VDEW).

TransistorschaltungenA1 . Ohne den Schaltungsaufbau zu verändern, könnte man einen Kaltleiter (PTC) anstelle des NTC-Widerstandes einfügen. Alternativ könnte man auch Potenziometer und NTC tauschen.

Informationsübertragung mit elektromagnetischen WellenA1 . Zu B3 Elektromagnetische Wellen lassen sich abschirmen. Dadurch kann es Bereiche ge-ben, in die die Wellen nicht eintreten. Ein Funkloch ist ein solcher Bereich.

Zu B4 Elektromagnetische Wellen werden reflektiert und gestreut. Dadurch ist es möglich, dass Wellen von einem Sender aus auf verschiedenen unterschiedlich langen Wegen und deswegen zeitversetzt zu einem Empfänger gelangen. Dort können auf diese Weise zwei verschiedene Bilder zugleich eintreffen (Geisterbilder). Insgesamt ergeben sich Bildstörungen.

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Praxis und Forschung Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Wir nehmen eine Hörkurve aufA1 0 Individueller Vergleich mit den beiden Hörkurven in B3.

Bestimme deinen Energiebedarf

A1 0 Schlechter Topf: 17 kJ

__ 11 kJ = 1,54 ⇒ 54 %

ohne Deckel Ø: 43 kJ

___ 11 kJ = 3,91 ⇒ 291 %

ohne Deckel ØØ: 51 kJ

__ 11 kJ = 4,64 ⇒ 364 %

A2 $ 1 kJ = 1 kW s. Ausgegangen wird von 25 ct ___ kW h , also

0,006 94 ct _____ kW s

Fall Ø = 110 kJ = 110 kW s ⇒ 110 kW s · 0,006 94 ct

_____ kW s = 0,76 ct

Fall ØØ = 170 kW s · 0,006 94 ct

_____ kW s = 1,18 ct

Fall ØØØ = 430 kW s · 0,006 94 ct

_____ kW s = 2,98 ct

Fall ØV = 510 kW s · 0,006 94 ct

_____ kW s = 3,54 ct

Projekt WetterbeobachtungenA1 0 Individuelle Schülerlösungen

A2 $ Die Jahreszeiten ergeben sich durch die Neigung der Rotationsachse der Erde zu ihrer Umlaufebene um die Sonne und dem sich dadurch im Umlauf ändernden Einfallswinkel des Sonnenlichtes zur Erdoberfläche.

A3 . Ausführlich in entsprechenden Nachschlagewerken und Atlanten zu Wetter, Klima bzw. Meteorologie und Klimageografie und im Internet.

Die Sonne – unsere wichtigste EnergiequelleA1 0 Einschätzung des Plakates individuell. Anforderungen i. W. erfüllt, wenn Überschrift einge-fügt.Überschrift: Der Kreislauf des Wassers.Wasser auf der Erde wird durch Sonneneinstrahlung verdunstet ⇒ Wolken werden gebildet ⇒ mit dem Niederschlag gelangt Wasser wieder auf die Erde ⇒ von höher gelegenen Bereichen fließt es ab ins Meer ⇒ mit der Verdunstung beginnt der Kreislauf erneut.



A4 . Weil Kohle und Öl aus Pflanzen bzw. Tieren entstehen, die Sonnenlicht zum Leben benöti-gen, ist die Argumentation nicht tragfähig und die Sonne erweist sich in der Tat als wichtigste Energiequelle.

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Texte lesen und verstehenA1 0 Die gelben Markierungen geben physikalische Einheiten an.Die blauen Markierungen beschreiben Phänomene, die ihre Begründung in der Trägheit haben. Hier könnten noch folgende Sätze markiert werden: „Der Wagen wollte einfach nicht anhalten.“ und „Und geradeaus fliegen tun sie noch, …“

A2 $ Rot markiert ist die in der Physik ungebräuchliche Einheit Pfund. 1 Pfund = 500 g; im englischsprachigen Raum ist 1 Pfund ungefähr 454 g.Grün markiert sind physikalische Begriffe in ihrer Verwendung in der Alltagssprache. Ihre Bedeu-tung ist hier nicht immer ganz deckungsgleich mit der physikalischen Bedeutung.

A3 $ Die Angabe „Tragkraft 250 g“ ist physikalisch falsch. Gemeint ist: „Messbereich 250 g“.Tatsächlich misst die Waage Kräfte und müsste eine Skala in Newton besitzen. Im Alltag ist es jedoch üblich, die Umrechnung in eine Masse (100 g entsprechen auf der Erde etwa 1 N) bereits bei der Beschriftung zu berücksichtigen.

A4 . Die zu messende Masse wird auf die Waagschale gelegt. Diese sinkt nach unten. Nun müssen das große und kleine Gewicht auf dem Waagarm rechts von der Aufhängung verschoben werden, bis der Waagarm waagerecht steht. An den Markierungen auf dem Waagarm kann dann ab gelesen werden, welche Masse aufliegt.

Informationen aus Diagrammen entnehmenA1 $ Folgende Angaben könnten im Text enthalten sein:• Anfahren mit einer Beschleunigung von 0,22 m/ s 2 bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h.• Ortsdurchfahrt für etwa drei Minuten mit konstanter Geschwindigkeit.• Verlassen des Ortes und Beschleunigung auf freier Strecke mit a ≈ 0,08 m/ s 2 bis auf 90 km/h.• Langsames Abbremsen aufgrund eines vorausfahrenden Lkw bis auf 65 km/h.• Überholen: Beschleunigung auf 100 km/h innerhalb von etwa 100 s (a = 0,10 m/ s 2 ).• Langsames Abbremsen auf 50 km/h, Erreichen der nächsten Ortschaft nach insgesamt

12 Minuten.• Insgesamt 13 Minuten Ortsdurchfahrt, dabei zwischen t = 19 min und t = 22 min

Abbremsen, Stillstand und erneutes Anfahren aufgrund einer roten Ampel.• Beschleunigung auf fast 90 km/h mit a = 0,19 m/ s 2 .• Erhöhtes Verkehrsaufkommen und dadurch etwas ungleichförmige Fahrt bis  t = 30 min.• Sich stetig aber langsam verringernde Geschwindigkeit aufgrund von Kolonnenbildung.• Nach t = 33 min Erreichen der nächsten Ortschaft.• Stillstand nach knapp 35 Minuten, Erreichen des Ziels.

Boote mit RückstoßantriebA1 . Individuelle Schülerlösung. Beispiele: leichter Bootskörper und Antriebsmechanismus, strömungsgünstige Bootsform, … Bemerkung: Der Reibungswiderstand des Wassers wächst vom Wert Null mit der Geschwindigkeit des Bootes (nahezu linear) an. Deswegen ist ein schwacher lange laufender Antrieb besser als ein starker, der nur kurz läuft. Bei einem Luftballonantrieb wählt man also besser eine schmale Düse für einen langsamen Luftausstoß.Bei Landfahrzeugen mit Rückstoßantrieb macht man es dagegen besser umgekehrt, da der Roll-widerstand unabhängig von der Geschwindigkeit denselben Wert hat (der Luftwiderstand spielt bei diesen Geschwindigkeiten keine Rolle).

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2016 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3, Lösungen zu 17 Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 3 (ISBN: 978-3-12-772286-4) Grafik: Alfred Marzell, Schwäbisch Gmünd

Rechnen mit proportionalen ZusammenhängenA1 0

F in N 5,0 10,0 13,5

s in cm 4,5 9,0 12

A2 $

F in N 0,2 0,8 2,7 4,2

s in cm 0,3 1,2 4,1 6,0

A3 $ Beide Geraden verlaufen durch den Ursprung, diejenige zu D 2 ist steiler als die zu Feder ¯¯ und diejenige zu D 1 verläuft flacher als die zu Feder ¯.

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F in N

4

3

2

1

0 s in cm

0 1 2 3 4 5 6

Feder ¯¯

Feder ¯

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18 Elektrizität und System

Schülerexperiment Aufnahme von Kennlinien

Name Klasse Datum

Aufgabe: Nimm die Kennlinie eines Konstantandrahtes und einer Glühlampe auf.

Material und Durchführung: Um die Kennlinie eines Bauelements aufzunehmen, baut man einen Strom-kreis mit Spannungs quelle, Schalter, Bauelement, Spannungs- und Stromstärkemessgerät auf. Dann misst man für verschiedene Spannungswerte die Stärke des Stromes, der durch das Bauelement fließt. Mit Hilfe dieser Messwerte zeichnet man ein U-Ø-Diagramm. Die Kurve im Diagramm ist die Kenn linie des Bauelements. Zeichne jeweils einen Schaltplan (Schaltung mit Konstantandraht bzw. Glühlampe).

Messwerte und Diagramme:

U in V 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 U in V 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Ø in A 0 0,17 0,36 0,52 0,72 0,89 Ø in A 0 0,11 0,21 0,3 0,36 0,4

U in V … U in V 6,0 7,0 …

Ø in A … Ø in A 0,45 0,49 …

¯ in A

U in V

¯ in A

U in V

Fehlerbetrachtung und Ergebnis:

Fehler durch Ungenauigkeiten der Messgeräte sowie Ablesen der Mess-

werte. Für Konstantandraht gilt das Ohm’sche Gesetz (Proportionalität).

Für die Glühlampe gilt das Ohm’sche Gesetz nicht, I nimmt zwar mit

steigendem U zu, die Kennlinie wird aber flacher.

¯

QuelleU

¯

Quelle U

¯ in A

U in V

0 1 2 3 4 5

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

¯ in A

U in V

0 1 2 3 4 5

0,8

0,6

0,4

0,2

0,06 7 8

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Elektrizität und System 19

Widerstände und Kennlinien

1 Untersuche die Kennlinien der drei Leiter bezüglich ihrer Widerstände.

Konstantan: Die Kennlinie ist eine

Gerade, R ist konstant. Für die anderen

Kennlinien gilt das Ohm’sche Gesetz

nicht. Graphit: I ist für jeden U-Wert

größer als bei Konstantan, R ist also klei-

ner. Bei der Glühlampe ist es umgekehrt,

der Widerstand ist hier am größten.

2 Bei einem Leiter wurde die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung gemessen. Es ergaben sich folgende Werte:

Spannung U in V 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Stromstärke Ø in A 0,15 0,20 0,24 0,28 0,31 0,35

a) Zeichne die U-Ø-Kennlinie des Leiters.

b) Bestimme mithilfe der Kennlinie die Stromstärke bei einer Spannung von 4,5 V.

Bei U = 4,5 V beträgt die Stromstärke

I = 0,29 A.

c) Wie groß ist die Spannung bei einer Stromstärke von 0,18 A?

Bei I = 0,18 A beträgt die

Spannung U = 1,7 V.

d) Mache eine Aussage über den Widerstand des Leiters.

Die Stromstärke nimmt mit steigender Spannung stetig zu, oberhalb

von 1 V fast linear. Der Widerstand des Leiters steigt mit zunehmender

Spannung.

2

1

¯ in A

U in V

Konstantandraht

Graphitstab

Glühlampe

1 2 3 4 5 6 7 00

¯ in A

U in V

¯ in A

U in V

0 1 2 3 4 50,00

6

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35


Elektrizität und System 21

Spezifischer Widerstand

1 Rechne in die angegebene Einheit um und ergänze die fehlenden Werte in der Tabelle:

R 4 Ð 30 Ω 150 Ω 18 Ð 1,2 Ð 75 Ω 15 kÐ

Ø 1,2 A 0,2 A 40 mA 0,2 A 0,5 A 40 A 0,067 AU 4,8 V 6 V 6 V 3,6 V 0,6 V 3 kV 1 kV

1 kÐ = 1000 Ð

800 Ð = 0,8 kÐ

75 000 Ð = 75 kÐ

400 000 Ð = 0,4 MÐ

0,5 MÐ = 500 kÐ

1,5 MÐ = 1 500 000 Ð

90 Ð = 0,09 kÐ

20 000 Ð = 20 kÐ

20 MÐ = 20 000 kÐ

2 a) Zwischen zwei Halterungen ist ein Leiter mit einer Länge von l = 2 m und einer Querschnittsfläche von A = 0,01 m m 2 eingespannt. Bei einer Spannung von U = 2 V fließt ein Strom von ¯ = 0,57 A. Die Tabelle gibt den Widerstandswert eines 1 m langen Leiters mit einer Querschnittsfläche von 0,01 m m 2 an. Diese Größe heißt Spezifischer Widerstand. Bestimme mithilfe der Tabelle, aus welchem Material der Leiter besteht.

Material Kupfer Aluminium Wolfram Nickel Eisen Blei Konstantan

Spez. Widerstand r in Ð · 0,01 m m 2 /m bei 20 °C

1,78 2,64 5,6 8,7 13,0 22,0 50,0

b) Mit einem Widerstandsmessgerät wird der Widerstandswert eines 53 m langen Drahts zu R = 30 Ð be-stimmt. Die Querschnittsfläche beträgt A = 0,15 m m

2 . Bestimme das Material, aus dem der Leiter besteht.

3 Ein Konstantandraht soll einen Widerstandswert von R = 30 Ð haben. Gib an, wie sich die Abmessungen des Leiterstücks bestimmen lassen.

Mit ρ = R ∙ A _ l gilt ρ = U _ I ∙ A _ l = 2 V ___ 0,57 A ∙

0,01 mm 2 _____ 2 m = 1,75 Ω ∙ 0,01 mm 2 _ m

Vergleich mit der Tabelle: Es muss sich um einen Leiter aus Kupfer handeln.

Mit ρ = R ∙ A _ l gilt ρ = R ∙ A _ l = 30 Ω ∙ 15 ∙ 0,01 mm 2

_______ 53 m = 8,49 Ω ∙ 0,01 mm 2 ___ m

Vergleich mit der Tabellen: Es muss sich um einen Leiter aus Nickel handeln.

Es gilt: ρ = R ∙ A _ l

und damit: A _ l = ρ _ R = 50,0 Ω ∙

0,01 mm 2 ___ m _____ 30 Ω = 0,0 167 mm 2 ___ m


28 Elektrizität und System

R1 = 100 Ð R2 = 200 Ð

R1 = 100 Ð R2 = 200 Ð

R3 = 300 Ð

R2 = 200 Ð

R1 = 100 Ð

R3 = 300 Ð

R2 = 200 Ð

R1 = 100 Ð

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

1 Berechne den Gesamtwiderstand.

a)

c)

b)

d)

2 Eine Leuchtdiode (LED) arbeitet bei einer Betriebsspannung von 1,7 V, die Stromstärke darf 25 mA nicht überschreiten. Die LED soll mit einer Spannung von 10 V betrieben werden. Dazu wird sie mit einem Wider-stand R in Reihe geschaltet. Zeichne ein Schaltbild und berechne den Mindestwert für den Widerstand R.

Schaltskizze: Rechnung:

R Ersatz = R 1 + R 2 = 100 Ω + 200 Ω

= 300 Ω

1 ___  R Ersatz = 1 __  R 1 + 1 __  R 2 = 1 ___ 100 Ω + 1 ___ 200 Ω

= 3 ___ 200 Ω

R Ersatz = 66,7 Ω

1 __  R 2, 3 = 1 __  R 2 + 1 __  R 3 = 1 ___ 200 Ω + 1 ___ 300 Ω

= 5 ___ 600 Ω ; R Ersatz = R 1 + R 2, 3

= 100 Ω + 600 Ω ___ 5 = 220 Ω

R LED = 1,7 V

____ 0,025 A = 68 Ω

R Ersatz = R LED + R Vor = U Q

__  I max ; damit:

R Vor = U Q

__  I max – R LED = 10 V ____ 0,025 A – 68 Ω

= 400 Ω – 68 Ω = 332 Ω

1 ___  R Ersatz = 1 __  R 1 + R 2 + 1 __  R 3

= 1 ___  100 Ω + 200 Ω + 1 ___ 300 Ω

= 2 ___ 300 Ω ; R Ersatz = 150 Ω

R

¯max = 25 mA


40 Maschinen und Energie

Bewegungsenergie

11

h 23

4

5

a) Ein Skater fährt auf einer Halfpipe. Beschreibe die Energieformen, die der Skater bei Vernachlässigung der Reibung in den einzelnen Punkten jeweils besitzt.

b) Wo sind die Höhen- und Bewegungsenergie jeweils am größten? Gib für diese Punkte die Gleichungen von E H und E B an.

2 Ein Auto mit der Masse 1,45 t erreicht beim Anfahren mit konstanter Beschleunigung nach 50 m die Bewegungsenergie von 17 000 Nm. Wie groß ist in diesem Moment seine Geschwindigkeit?

3 Zwei gleiche Spielzeugautos stehen in einem „Parkhaus“ im ersten bzw. zweiten Stockwerk. Die Stockwerke sind gleich hoch. Die Autos haben keinen zusätzlichen Antrieb und die Reibung wird vernachlässigt. Welche der folgenden Aussagen ist richtig?

Beide Autos sind am Ende der Rampe gleich schnell.

X Das Auto ¯ ist am Ende schneller als das Auto ¯¯.

Das Auto ¯¯ ist am Ende schneller.

Das Auto ¯ ist doppelt so schnell.

X Das Auto ¯ hat die doppelte Bewegungsenergie von Auto ¯¯.

¯¯

¯

1: E H maximal, E B = 0

2: E H nimmt ab, E B nimmt zu

3: E H = 0, E B maximal

4: E H nimmt zu, E B nimmt ab

5: E H maximal, E B = 0

E H ist in 1 und 5 am größten: E H = m ∙ g ∙ h

E B ist in 3 am größten: E B = 1 _ 2 ∙ m ∙ v max 2

E B = 1 _ 2 ∙ m ∙ v 2 ⇒ v = 9___ 

2 ∙ E B _ m = 9

_______

   2 ∙ 1700 kg ∙ m 2 __  s 2 _______ 1450 kg = 4,8 m _ s = 17,4 km __ h


Maschinen und Energie 41

Energieerhaltung

1 Ergänze den Lückentext.

In einem abgeschlossenen mechanischen System verändert sich die Summe aus der Höhen -

energie , der Bewegungsenergie und der Spannenergie

nicht: Der Betrag der mechanischen Energie bleibt konstant.

Diesen Satz nennt man Energieerhaltungssatz der Mechanik .

Der allgemeine Energieerhaltungssatz lautet: Energie kann weder erzeugt noch

vernichtet werden. Energie lässt sich nur umladen .

Die Summe aller Energien in einem abgeschlossenen System ist konstant.

2 Auf einem Tisch liegt eine teure Uhr. Über der Uhr hängt eine Schraubenfeder, an der ein Massestück befestigt ist. Die Feder wird gedehnt, bis das Massestück genau auf dem Uhrglas aufliegt, und dann losgelassen.Kann man dies ohne Risiko machen? Begründe deine Antwort.

Ja. Der Energieerhaltungssatz gilt. Nach einer

Schwingung kann nicht mehr Spann energie vorliegen

als zu Beginn. Zudem treten Reibungseffekte auf, ein

Teil der Gesamtenergie wird als thermische Energie

an die Um gebung abgegeben.

3 An einem Skihang, 30 m über der Talsohle, steht eine Schülerin. Sie hat eine Masse von m = 38 kg. Das Paar Ski hat eine Gewichtskraft von 80 N.a) Berechne die Höhenenergie der Schülerin oben am Berghang.

b) Wie groß wäre ihre Endgeschwindigkeit im Tal, wenn man die Reibung vernachlässigt?

E H = m ∙ g ∙ h + F Ski ∙ h = 38 kg ∙ 9,81 m __  s 2 ∙ 30 m + 80 N ∙30 m

= 11 183 Nm + 2 400 Nm = 13 583 Nm = 13,6 kJ

E B = 1 _ 2 ∙ m ∙ v 2 ⇒ v = 9___ 

2 ∙ E B _ m = 9_______

  2 ∙ 13 583 Nm ______ 38 kg + 8,2 kg = 24,3 m _ s = 87,5 km __ h



Seil, Rolle und Flaschenzug

1 Neben den Hebeln gehören auch Seile, Rollen und Flaschenzüge sowie die geneigte Ebenen zu den kraft-umformenden Einrichtungen. Was kann man mit kraftumformenden Einrichtungen erreichen?

Veränderung von Angriffspunkt / Betrag / Richtung der notwendigen

Kraft

2 Die folgenden Bilder zeigen verschiedene Anordnungen von Seilen und Rollen.a) Um welche kraftumformenden Einrichtungen handelt es sich? Trage die Namen in die erste Zeile ein.b) Gib in der zweiten Zeile jeweils als Gleichung an, welche Zugkraft F Zug in Vielfachen von F G notwendig ist, um einen Körper mit der Gewichtskraft F G zu heben. Dabei sollen die Gewichtskraft des Seils und der Rollen sowie die Reibung vernachlässigt werden. c) Ergänze in der dritten Zeile die Zugkraft, die bei einer Gewichtskraft des Körpers von 8 N notwendig ist.

Seil feste Rolle lose Rolle lose + feste Rolle Flaschenzug

F Zug = F G F Zug = F G F Zug = 1 _ 2 F G F Zug = 1 _ 2 F G F Zug = 1 _ 4 F G

F Zug = 8 N F Zug = 8 N F Zug = 4 N F Zug = 4 N F Zug = 2 N

3 Mit diesem Flaschenzug wird eine Kiste mit einer Masse von 30 kg hochgezogen.a) Welche Zugkraft ist im Gleichgewichtsfall notwendig?

b) Begründe deine Antwort.

c) Welche vereinfachenden Annahmen wurden für diese Lösung gemacht?

Gewichtskräfte von Rollen und Seil wurden vernachlässigt, Ortsfaktor

10 N/kg, im Gleichgewichtsfall ist die Kiste in Ruhe.

F2

A: 10 N

X B: 75 N

C: 100 N

D: 150 N

Jede lose Rolle zerlegt die nach unten gerichtete angreifende Kraft in

zwei gleiche Teile. Mit zwei losen Rollen gilt:

F G = 30 kg ∙ 10 N __ kg = 30 N; F Z = 1 _ 2 ∙ 1 _ 2 ∙ F G = 75 N


54 Maschinen und Energie

Schülerexperiment Lose Rolle

Aufgabe: 1. Untersuche an einer losen Rolle den Zusammenhang zwischen der Zugkraft und der Gewichtskraft der Last.2. Untersuche gleichzeitig, welcher Zusammenhang zwischen den Wegen besteht,

die der gehobene Körper und das Seilende (die Hand) zurücklegen.

Hinweis: Im Experiment vernachlässigen wir zur Vereinfachung die Gewichts kraft der Rolle. F Last ist also gleich der Gewichtskraft F G des angehängten Körpers. Die Gewichtskraft der Rolle wird vernachlässigt.

Material: Notiere die Geräte und Hilfsmittel, die zur Bestimmung der Kräfte und Wege gebraucht werden. Ergänze die Versuchsskizze durch das Einzeichnen von ¥     

 F Zug und ¥     

 F Last .

Stativmaterial, Lineal, Federkraftmesser, Schnur, Ring mit Haken, lose

Rolle/Schlaufe, Wägesatz/Massekörper

Durchführung: 1. Führe mindestens drei Messungen mit verschiedenen Gewichtskräften aus. Vorgeschlagen werden 1 N,

1,5 N und 1,9 N. Miss jeweils die Zugkraft beim Heben. 2. Bestimme für drei verschiedene Lastwege die jeweilige Länge des Zugweges. Als Zugweg kannst du zum

Beispiel die Strecke messen, die der Haken des Federkraftmessers während des Hebens zurücklegt.3. Achte darauf, dass die Seilstücke während der Messungen parallel sind.

Messwerte:

Gewichtskraft FG in N Zugkraft FZug in N

1,0

1,5

1,9

Fehlerbetrachtung: Wodurch könnten Ungenauigkeiten bei den Messwerten entstehen?

Ablesefehler an Lineal und Kraftmesser; Kalibrierungsfehler am Kraft-

messer

Auswertung und Ergebnis: Vergleiche die Kräfte und die Wege. Welche Zusammenhänge sind erkennbar?

Name Klasse Datum

Lastweg sLast in cm Zugweg sZug in cm

5

10

15

Die Zugkraft ist halb so groß wie die Gewichtskraft der Last: F Zug = 1 _ 2 F Last

Der Zugweg ist doppelt so groß wie der Lastweg: s Zug = 2 s Last

FZug

FLast



Hebel

1 In den folgenden Abbildungen sind zwei verschiedene Hebelarten dargestellt. Ergänze den Lückentext und trage die Drehachse, die beiden Hebelarme l1 und l2 sowie die Kräfte F 1 und F 1 ein.

2 In der folgenden Abbildung sind einige Hebel dargestellt. Zeichne die angreifenden Kräfte ein, kennzeichne die Drehachse und vervollständige die letzte Zeile der Tabelle mit der Hebelart.

Nussknacker Flaschenöffner Kneifzange

einseitiger Hebel zweiseitiger Hebel zweiseitiger Hebel

3 Baue mit Materialien aus deiner Schultasche eine Wippe (zweiseitiger Hebel). Nimm einen Bleistift als Auflage und ein Lineal als Wipp-Balken. Weiterhin brauchst du:eine 2--Münze m = 8,5 g F G = 83,3 mN (Millinewton)eine 20-ct-Münze m = 5,7 g F G = 55,9 mNDu kannst auch andere Münzen verwenden, musst dann aber erst deren Masse und Gewichtskraft ermitteln.Stelle mit beiden Münzen ein Gleichgewicht her und miss jeweils den Abstand vom Mittelpunkt der Münze zum Drehpunkt (Auflagestelle des Lineals). Ergänze die Tabelle und überprüfe, ob das Hebelgesetz gilt.

Münze Kraft in mN Abstand 1 Abstand 2 Abstand 3

Linke Seite 2 € 83,3 mN 2 cm 4 cm 6 cm

Rechte Seite 20 ct 55,9 mN 3 cm 6 cm 9 cm

Zwei armiger Hebel, weil die beiden Kräfte

auf verschiedenen Seiten der

Drehachse angreifen.

Ein armiger Hebel, weil die beiden Kräfte

auf derselben Seite der

Drehachse angreifen.

Ja! Abstand 1: F 1 ∙ l 1 = F 2 ∙ l 2 = 0,167 N; Abstand 2: F 1 ∙ l 1 = F 2 ∙ l 2 = 0,334 N;

Abstand 3: F 1 ∙ l 1 = F 2 ∙ l 2 = 0,501 N

ø1 ø2

F1

F2

D

F1

F2

ø1

D

ø2


74 Information und Signal

Schülerexperiment Temperaturabhängigkeit des Widerstandes

Aufgabe: Untersuche in einem Wasserbad an Bauelementen die Abhängigkeit ihres elektrischen Wider-standes von der Temperatur.

Durchführung: Baue den Versuch gemäß der nebenstehenden Ab-bildung auf und miss für verschiedene Temperaturen Stromstärke und Spannung. Berechne jeweils den elektrischen Widerstand R und trage die Werte in die Tabelle ein.

Messwerte:

h in °C 20 40 60 80 100 …

U in V 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3

Ø in mA 320 313 306 300 293

R in Ð 7,19 7,35 7,52 7,67 7,85

Auswertung: Zeichne ein Temperatur-Widerstand-Diagramm.

Fehlerbetrachtung:

Ableseungenauigkeit (Thermometer, Spannungs-, Stromstärkemess-

gerät), Ungenauigkeit der drei Messgeräte selbst.

Ergebnis:

Der Widerstand des Eisendrahts steigt mit zunehmender Temperatur.

Name Klasse Datum

Thermometer

Wasser

Plastik-tüte

NTC-Widerstand

Heiz-platte U

¯

R in Ð

h in °C

07,0

6010 20 30 40 50 70 80

7,2

7,4

7,6

7,8

8,0


Information und Signal 75

Leitungsvorgänge

1 Ergänze die Lücken.

Ein elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Damit ein Körper

den elektrischen Strom leiten kann, muss er bewegliche Ladungsträger besitzen

und es muss eine Spannung anliegen. Sind die Voraussetzungen erfüllt, bewegen sich

die Ladungsträger gerichtet , die positiven zum Minuspol der Spannungsquelle,

die negativen Ladungsträger zum Pluspol der Spannungsquelle. Diese Bewegung ist nicht unbe-

dingt geradlinig , da die Ladungsträger auf ihrem Weg zur Span nungsquelle

durch Stöße mit den anderen Teilchen des Stoffes behindert werden. Der elek-

trische Widerstand ist ein Maß für diese Behinderung. Dabei wird elektrische Energie

in thermische Energie überführt.

2 Recherchiere, was man unter Heißleitern und Kaltleitern versteht.

Kaltleiter sind Stoffe, deren elektrischer Widerstand mit zunehmender

Temperatur größer wird (PTC-Widerstand). Metalle sind prinzipiell Kalt-

leiter. Heißleiter sind Stoffe, deren elektrischer Widerstand mit zuneh-

mender Temperatur sinkt (NTC-Widerstand). Bestimmte Legierungen

und Metalloxide sowie sogenannte „Halbleiter“ sind Heißleiter.

3 Skizziere in ein Temperatur-Widerstand-Diagramm die Kurve für einen Heißleiter, einen Kaltleiter und einen Konstantan draht.

R

h

R

h

Heißleiter Kaltleiter

Konstantandraht


Information und Signal 81

Schülerexperiment Dioden und LEDs

Es gibt zwei verschiedene Bauformen von Dioden, die durch unterschiedliche Symbole gekennzeichnet werden:

Dioden: Leuchtdioden (LEDs):

Dioden werden in elektrischen Schaltungen vor allem wegen ihrer „Ventilwirkung“ eingesetzt. Für den elektrischen Strom sind Dioden nur in einer Richtung durchlässig.

1 Überprüfe anhand der folgenden Schaltungen, wie Dioden in einen Schaltkreis eingesetzt werden müssen, damit sie den elektrischen Strom durchlassen.

Wie du in der rechten Schaltung erkennen kannst, wird eine Leuchtdiode immer mit einem Widerstand in Reihe geschaltet. Der Grund dafür ist, dass die für LEDs zulässige Stromstärke auf Ø = 20 mA beschränkt ist. Fließt eine größere Stromstärke, kann die Diode beschädigt werden.

2 In einen Stromkreis wird eine Diode in Durchlassrichtung eingebaut. Erst wenn die anliegende Spannung einen Mindestwert U 0 überschreitet, beginnt ein Strom zu fließen. Diese Mindestspannung ist nötig, damit die Ladungsträger die Sperrschicht der Diode überwinden können. Nimm mithilfe der folgenden Schaltung die Kennlinie verschiedener Dioden auf. Beachte: Die Maximalstromstärke für LEDs beträgt Ø max = 20 mA. Reguliere die Spannung vorsichtig!

6 V

470 Ð

6 V

3 V

Ø

U

R = 100 Ω

Diode U in V 0,50 0,60 0,70 0,75 0,80

Ø in mA 0 4 20 85 177

LED (rot) U in V 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50

Ø in mA 0 0 1 2 20

LED (grün) U in V 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90

Ø in mA 0 0 1 3 20

Name Klasse Datum

6 V

470 Ð

6 V


30 Elektrizität und SystemSurftipp w3f2y9

Teste dich selbst Elektrizität und System

1 Wenn die Haushaltssicherung bei einer Stromstärke von 16 A anspricht, dann kann man einer Haushalts-steckdose (Spannung U = 230 V ) im Höchstfall folgende elektrische Leistung entnehmen:

2 Nimmt die Leistung einer Glühlampe zu, wenn der Glühfaden dünn wird? Begründe.

Nein. Vorausgesetzt, die Spannung bleibt konstant, so führt ein kleinerer

Querschnitt des Glühfadens auch zu einem kleineren Strom. Wird der

Strom kleiner, so wird auch die Leistung P = U ∙ I kleiner.

3 Ordne die fünf Kennlinien folgenden Stoffen zu: Eisendraht im Wasser, Eisendraht in Luft, Konstantandraht, Graphitstab, Glühlampe.

a) Eisendraht in Wasser

b) Graphitstab

c) Eisendraht in Luft

d) Konstantandraht

e) Glühlampe

4

2

1

¯ in A

U in Volt

1 2 3 4 5 6 7

a) b)

c)

d)

e)

wahr falsch Entscheide, ob die nachfolgenden Aussagen wahr oder falsch sind.

X Je länger und dicker ein Leiterstück, desto größer sein Widerstand.

X In einer Reihenschaltung ergeben sich die Gesamtstromstärke und die Gesamtspannung aus der Summe der Einzelstromstärken und -spannungen.

X Bei in Reihe geschalteten Widerständen ist der Ersatzwiderstand größer als jeder einzelen Widerstand.

X Bei in Reihe geschalteten Widerständen teilen sich die Leistungen im umgekehrten Verhältnis der Einzelwiderstände auf.

X 1 kWh ist eine Einheit der Leistung.

X 1 Ah ist eine Einheit der Ladung.

X 1 Ws ist eine Einheit der Leistung.

X 1 As ist eine Einheit der Ladung.

X 3 680 W

3,68 kWh

3,68 MJ

14,375 W

X 3,68 kW

14,375 Ah


64 Maschinen und EnergieSurftipp e3z3jy

Teste dich selbst Maschinen und Energie


X Der Wirkungsgrad kann nie kleiner als 1 sein.

X Ein Hebel ist genau dann im Gleichgewicht, wenn beide Hebelarme gleich lang sind.

X Ein Hebel ist genau dann im Gleichgewicht, wenn beide Kräfte gleich groß sind.

X Mit einer losen Rolle lässt sich der Betrag der Zugkraft einer Last halbieren.

X Mit einer losen Rolle verdoppelt sich der Zugweg einer Last.

X Die Bewegungsenergie sinkt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

X Die Höhenenergie verhält sich porportional zur gehobenen Masse.

X Vorgänge ohne Energieentwertung sind ideale Prozesse, es gibt sie in der Natur nicht.

1 Ergänze die Energieanzeigen zu den drei Bildern.

2

3 Ein Schüler macht Liegestütze auf einer Personenwaage; aufgestützt zeigt die Waage 40 kg an. Der Schüler benötigt 15 Sekunden für 10 Liegestütze, bei denen er seinen Körper um 30 cm hebt. Berechne Energie-aufwand und Leistung, wenn nur 20 % der umgesetzten Energie als Muskelarbeit verfügbar ist.

ES EB EH ES EB EH ES EB EH

E nutz = 10 ∙ F stütz ∙ h = 10 ∙ m ∙ g ∙ h =10 ∙ 40 kg ∙ 9,81 m _  s 2 ∙ 0,3 m

E nutz = 1 177 J

E auf = E nutz _ η = 1 177 J __ 0,2 = 5,9 kJ

Leistung P = E auf

_ t = 5,9 kJ

_ 15 s = 0,39 kW


90 Information und SignalSurftipp 5ec2b7

Teste dich selbst Information und Signal


X Ein Transistor kann die Funktion eines Schalters übernehmen.

X Ein Transistor kann die Funktion eines Verstärkers übernehmen.

X Sowohl Dioden als auch Solarzellen besitzen einen pn-Übergang.

X Die Kennlinien eines PTC-Widerstandes und einer Diode sehen ähnlich aus.

X In Metallen befinden sich wanderungsfähige Elektronen.

X In Halbleitern befinden sich wanderungsfähige Elektronen.

X In Metallen befinden sich wanderungsfähige Elektronenfehlstellen.

X Mit einem Heißleiter kann man eine Schaltung zur Temperaturmessung bauen.

X Mit einem Kaltleiter kann man eine Schaltung zur Temperaturmessung bauen.

X Elektromagnetische Wellen breiten sich auch im Vakuum aus.

X NTC-Widerstand

PTC-Widerstand

Transistor

Kaltleiter

Diode

X Halbleiter

Metall

X Heißleiter

1 Zu welchem Bauteil könnte folgende Kennlinie gehören?

2

3 Zeichne den Schaltplan für eine Schaltung, die Änderungen der Helligkeit nachweisen kann.

4 Zeichne den Schaltplan für einen Versuchsaufbau, mit dem man die Kennlinie einer Diode aufnehmen kann.

R in kÐ 10

8

6

4

2

0h in °C

10 0 20 70 60 50 40 30

R

¯

Fotowiderstand(LDR)

Licht

¯

U R = 10 Ð

U = 2 V

Möglich ist auch ein Beleuchtungsschalter mit einem Transistor.


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