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Energie
Lernziele
Sie können die Begriffe, die mit der Energie zusammenhängen, korrekt einordnen und verwenden
Sie wissen, dass die Energie eine Erhaltungsgrösse ist und kennen das Bilanzieren als Lösungsstrategie
Begriffe
Was ist Energie? Die Antwort darauf fällt nicht nur mir schwer, darauf wusste selbst der berühmte Professor Richard Feynman keine befriedigende Antwort. Soviel kann ich Ihnen aber verraten: Sie ist eine mächtige physikalische Grösse, die viele Erscheinungen in der Natur beschreiben kann. Man kann mit ihr rechnen und das genügt. Energie ist eine ungerichtete Zustandsgrösse. Sie beschreibt nicht einen Vorgang, sondern den Zustand eines System. Wir werden darauf noch genauer eingehen.
Einergieeinheit
In dieser Zeit haben Sie in Ihrem Haushalt sicher viele Lebensmittel gelagert. Niemand traut wirklich der Regierung, die vor Hamsterkäufen warnt...
Gehen Sie doch jetzt zu Ihrem Vorrat und nehmen Sie eine Packung hervor. Auf den meisten Packungen finden Sie eine Nährwerttabelle. Häufig ist zuoberst die Energie aufgeführt, die beim Verzehr des Lebensmittel aufgenommen wird.
Frage
Welche Einheit finden Sie bei der Energieangabe? Mit welchem Umrechnungsfaktor (Wert, um von der grösseren Angabe auf die kleinere zu kommen) wurde gerechnet?
Antwort
kJ (kilo Joule) oder kcal (kilo Kalorie)
Eine Kilokalorie ist die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmen. 1 kcal = 4.182 kJ
Damit ist der erste wichtige Begriff der Energieeinheit eingeführt.
Energieformen
Energie trifft man überall an. In Nahrungsmitteln als chemisch gespeicherte Energie, in einem fliegenden Ball als Bewegungsenergie, in der Sonne als innere Energie, in einem Stromkreis als elektrische Energie und an vielen Orten mehr unter verschiedensten Formen.
Im Rahmen der Mechanik wollen wir folgende mechanische Energieformen genauer betrachten:
die Lageenergie, auch potentielle Energie genannt
Die leider unumgängliche Reibung wird immer einen Teil der mechanischen Energie in innere Energie umwandeln:
Energieumwandlungen
In der Natur laufen zahlreiche Prozesse ab, in denen Energie von der einen Energieform in eine andere umgewandelt wird. Wenn Sie sich beispielsweise bewegen, wandeln Sie die in Ihnen gespeicherte chemische Energie in Bewegungsenergie um. Wenn Sie ein Gummiband spannen und anschliessend spicken lassen, wird die Spannenergie, die im Gummiband gespeichert ist, in Bewegungsenergie umgewandelt.
Bei allen Energieumwandlungen gilt, dass die Gesamtenergie, die in einem abgeschlossenen System steckt, nicht aus dem Nichts erzeugt werden noch verloren gehen kann. Die Gesamtenergie eines geschlossenes Systems bleibt erhalten. Diese Tatsache nennen Physiker Energieerhaltung (kurz EE).
Bilanzieren
Weil die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System erhalten bleibt, können wir darüber Buch führen, wo sie in bestimmten Situationen steckt, und so Aufgaben zur Energie lösen.
Betrachten wir als einführendes Beispiel das schwingende Fadenpendel nebenan. Reibung und Luftwiderstand sollen vorerst keine Rolle spielen.
In den Umkehrpunkten links und rechts bewegt sich das Pendel für einen kurzen Augenblick nicht. Das Pendel hat in diesen Punkten keine Bewegungsenergie. Da die Gesamtenergie des Pendels zu jedem Zeitpunkt gleich gross sein muss (EE!), muss die Energie des Pendels in den Umkehrpunkten irgendwo stecken.
Ein schwingendes Fadenpendel
Frage
Wo steckt die Energie in den Umkehrpunkten?
Antwort
Da das Pendel in den Umkehrpunkten höher liegt, als in der Ruheposition, steckt die Energie des Pendels in Lageenergie. Beim Fadenpendel findet also folgende Energieumwandlung statt: Lageenergie zu Bewegungsenergie zurück zu Lageenergie.
Konkretes Beispiel zum Bilanzieren
Im folgenden Lernvideo zeige ich Ihnen, wie Sie am Beispiel des Fadenpendels bilanzieren können.
Ein weiteres Beispiel zur Energiebilanz
Nebenan ist ein Federpendel dargestellt. Auch bei diesem Pendel gibt es verschiedene Energieumwandlungen. Ergänzend zum Fadenpendel kommt hier die Spannenergie dazu. Wie im Lernvideo bereits erwähnt, muss bei der Spannenergie ein Nullniveau festgelegt werden. Wir legen das Nullniveau der Spannenergie (in rot zeichnen!) in die Situation, wo die Feder am enspanntesten ist.
Die folgenden 3 Situationen sollen untersucht werden:
Das Pendel befindet sich zuunterst
Das Pendel ist in der Mitte (dort ist die Geschwindigkeit maximal)
Das Pendel ist im oberen Umkehrpunkt (dort ist die Feder am enspanntesten)
Aufgabe
Notieren Sie zur Wissenssicherung unter der grossen Überschrift «Energie» und der Unterüberschrift «Begriffe» in Ihrem Theorieheft (bzw. Theoriedokument) die 3 wichtigen Begriffe sowie kurz ihre Bedeutung.
Zeichnen Sie anschliessend die 3 Situationspläne zu den oben beschriebenen Situationen und die dazu gehörigen Energiebalken ins Heft/Dokument (Überschrift: «Beispiel: Federpendel»).
Schicken Sie mir bis Freitag, 27. März 12 Uhr, ein Foto Ihres Hefteintrages oder das entsprechende PDF-Dokument.
Hinweis zu den Nullniveaus
Das Nullniveau der Spannenergie ist dort, wo die Feder am wenigsten gespannt ist. Das Nullniveau der Lageenergie ist dort, wo der Körper im tiefsten Punkt ist.
Lösung zum Federpendel
Beim Federpendel treten alle 3 mechanischen Energieformen auf, in der mittleren Situation sogar alle gleichzeitig.
Achten Sie bei den Energieaufgaben darauf, dass Sie alle Nullniveaus einzeichnen. Dann erkennen Sie automatisch, wo Lage- und wo Spannenergie vorhanden sind. Bewegungsenergie gibt es immer dann, wenn ein Körper in der betrachteten Situation eine Bewegung ausführt, sprich eine Geschwindigkeit hat. In den beiden Umkehrpunkten bewegt sich der Körper für einen Augenblick nicht.
Da die Dehnung einer Feder mit dem Buchstaben y angegeben wird, habe ich dies in meiner Musterlösung auch so gemacht. Ich würde es Ihnen ebenfalls empfehlen.
Nächste Woche werden Sie erfahren, weshalb in der mittleren Situation die Hälfte der Gesamtenergie als Lageenergie vorliegt. Das konnten Sie jetzt noch nicht wissen. Spannend ist, dass die Bewegungsenergie beim Federpendel maximal ein Viertel der Gesamtenergie ausmacht.