Arbeitsbuch 2 Lösungen · Das zugehörige Unterrichtswerk Impulse Physik Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 wurde auf der Grundlage der Ausgaben Impulse Physik Niedersachsen, Impulse

Ernst Klett VerlagStuttgart · Leipzig

ImpulsePhysik 7 – 10Arbeitsbuch 2Lösungen

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 1 27.05.2015 09:40:38

Das zugehörige Unterrichtswerk Impulse Physik Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 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 Arbeitsblätter 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, Martin 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 zugelassenen 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 Bildungseinrichtungen.Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlags. © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 2 27.05.2015 09:17:14

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2, Lösungen 3 zu Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 ISBN: 978-3-12-772285-0

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

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 3 27.05.2015 09:17:15


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

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 4 27.05.2015 09:17:15


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

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 5 27.05.2015 09:17:15


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.

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 6 27.05.2015 09:17:15

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2, Lösungen zu 7 Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 (ISBN: 978-3-12-772285-0) Grafiken: Alfred Marzell, Schwäbisch Gmünd; Joachim Hormann, Stuttgart; Jörg Mair, München; Tom Menzel, Rohlsdorf; Gerhart Römer, Ihringen a. K. und Andreas Staiger, Stuttgart

Kapitel Elektrizität und Energie Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Feldlinienbilder interpretierenA1 $ a) magnetisches Feld: Ein magnetischer Körper wird so ausgerichtet, dass sein Nordpol in Richtung der Feldlinien zum Südpol des Feldes zeigt. Der Körper bewegt sich nicht, da es keine magnetischen Monopole gibt.b) elektrisches Feld: Ein positiv geladener Körper wird zum negativen Pol hin entlang der Feld-linien beschleunigt, ein negativ geladener in die umgekehrte Richtung. Ein neutraler Körper erfährt Influenz und bewegt sich nicht in irgendeine Richtung.Welchen Einfluss magnetische Felder auf elektrisch geladene Körper und elektrische Felder auf Magnete haben, kann erst mit dem Wissen der nächsten Kapitel beantwortet werden.

Elektrisches Feld und SpannungA1 $ Der Körper ist insgesamt neutral. Mit Wegnahme des äußeren elektrischen Feldes wird die Ladungsverschiebung rückgängig gemacht.

Potenziale und NullpotenzialA1 0 Das elektrische Potenzial entspricht dem an einer Stelle herrschenden Druck in der Leitung eines Wasserkreislaufes. Das Nullpotenzial ist der Druck, der am Eingang der Pumpe herrscht, die Potenzialdifferenz ist der Druckunterschied zwischen zwei Punkten in der Wasserleitung.

A2 $ Das Potenzial ist innerhalb von Leitungen nahezu konstant (gleich groß). Lediglich vor und hinter einem elektrischen Gerät ist ein Potenzialunterschied messbar, das Gerät verringert das Potenzial in der Leitung „schlagartig“, deshalb kann man von einem Potenzialabfall sprechen.

Elektrischer Strom und EnergieA1 0

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)

Aufträge S. 10

Aufträge S. 11

Aufträge S. 13

Aufträge S. 14

Energie-umlader

Glühlampe

Eel

ELicht

Einnere

Energie-umlader

Generator

EH

Aufträge S. 16

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 7 27.05.2015 09:17:15

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2, Lösungen zu 8 Impulse Physik 7 – 10 Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 (ISBN: 978-3-12-772285-0) Grafiken: Alfred Marzell, Schwäbisch Gmünd; Joachim Hormann, Stuttgart; München; Tom Menzel, Rohlsdorf; Gerhart Römer, Ihringen a. K. und Andreas Staiger, Stuttgart

Wir messen StromstärkenA1 $ Das Stromstärkemessgerät wird in Reihe zu den elektrischen Geräten in den Stromkreis ein gebaut. Dabei ist auf die richtige Polung zu achten (die mit + bezeichnete Anschlussbuchse muss zum Pluspol der elektrischen Quelle zeigen). Bevor der Stromkreis zur Messung geschlossen wird, wird am Messgerät der größte Messbereich eingestellt, um Schäden zu vermeiden. Danach kann man den Messbereich schrittweise ändern bis man die geeignete Einstellung gefunden hat.

Energie und ZeitA1 . U : Spannung der Quelle, in diesem Fall Haushaltssteckdose ¯ : Stromstärke im Stromkreis mit angeschlossenem Gerät E : Energie, die im Gerät in 60 s in innere Energie überführt wird:

E = U · ̄ · t = 230 V · 6,5 A · 60 s = 89 700 Ws = 89,7 kWs = 89,7

___ 3 600 kWh = 0,025 kWh

P : Leistung bzw. Energiestromstärke: P = E_ t = U · ̄ = 230 V · 6,5 A = 1 500 W

Für die 2. Spalte entsprechend.

Elektrische Spannung und elektrische LeistungA1 $ Die Platte setzt bei 230 V 2 000 VA = 2 000 W Leistung um. D. h., in ihr sind Stromstärken von 2 000 VA/230 V = 8,7 A möglich.

Der EnergiezählerA1 $ Individuelle Schülerlösungen

Leistung und elektrische SpannungA1 $ Aus Messreihe 1 folgt die Proportionalität P ~ ¯ (bei U = konstant). Aus Messreihe 2 folgt die Proportionalität P ~ U (bei ¯ = konstant). Zusammen folgt daraus P ~ U · ̄ .

A2 . Bild 1b: U = 6 V, ¯ = 1 A, P = 6 W Bild 1c: U = 18 V, ¯ = 0,5 A, P = 9 W Bild 1d: U = 18 V, ¯ = 1 A, P = 18 W

Ströme und MagnetfeldA1 $ Im Prinzip durch Messung der Kraft auf eine Leiterschaukel oder durch die Bestimmung der Ablenkung eines Elektronenstrahls im Magnetfeld. Zur quantitativen Auswertung sind dann aber jeweils noch weitere Kenntnisse notwendig, die in dieser Klassenstufe nicht zur Verfügung stehen (Kräfte bei der Kreisbewegung, Anzahl der Ladungsträger in einem Leiter usw.).

Die elektromagnetische InduktionA1 . Die Induktion kommt nur zustande, weil wir auf einem Himmelskörper leben, der ein eigenes Magnetfeld hat. Durch das (vergleichsweise schwache) Erdmagnetfeld wird also in der rotierenden Leiterschleife ein (sehr schwacher) Strom induziert.

Aufträge S. 17

Aufträge S. 18

Aufträge S. 19

Aufträge S. 20

Aufträge S. 21

Aufträge S. 23

Aufträge S. 26

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 8 27.05.2015 09:17:16


Induktion mit dem Feldlinienmodell vorhersagen

A1 0 A2 $ A3 . Alle Arten der elektro-magnetischen Induktion haben in unserem Feldlinienmodelleines gemeinsam:

Es ändert sich die Anzahl der Feldlinien, die durch die vom Leiterrähmchen aufge-spannte Fläche A stoßen. Das bedeutet anders-herum, dass, sobald sich diese Anzahl ändert, eine Spannung induziert wird. Wenn sie gleich bleibt, wird keine Spannung induziert.

Verdeutlichungen:

B2 Induktion durch Drehen oder Verformen des Leiterrähmchens im Feld. Die Anzahl der Feldlinien durch das Rähmchen ändert sich.

Aufträge S. 27

B3 Induktion durch Veränderung der Stärke des Magnetfelds. Die Anzahl der Feldlinien durch das Rähmchen ändert sich.

B4 Induktion durch Herausziehen des Leiterrähm-chens aus dem Magnetfeld. Die Anzahl der Feldlinien durch das Rähmchen ändert sich.

B5 Keine Induktion bei Bewegung des Leiter-rähmchens im homogenen Magnetfeld. Die Anzahl der Feldlinien durch das Rähmchen ändert sich nicht.

Generatoren

A1 $ Benötigte Geräte: Spule, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer Achse.Man bewegt den vor der Spule befindlichen Stabmagneten hin und her bzw. man dreht den vor der Spule stehenden Stabmagneten und misst mit Hilfe eines Voltmeters die Spannung an den Enden der Spule. Es entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz derjenigen der Pendel-bewegung bzw. der Drehfrequenz des Stabmagneten entspricht.Alternativ kann auch die Spule bewegt bzw. gedreht werden und der Stabmagnet fest stehen.

A2 $ Benötigte Geräte: 2 Spulen, 2 Kabel, Voltmeter, Stabmagnet, Stabmagnet auf drehbarer AchseMöglichkeit 1: Siehe Aufgabe A1 Alternative.Möglichkeit 2: Anstelle des Stabmagneten wird eine stromführende Spule verwendet.

Aufträge S. 30

a) b)

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 9 27.05.2015 09:17:17


A3 . Man ersetzt die Ringe an den Schleifkontakten durch einen Ring mit zwei getrennten Hälften. Jede Ringhälfte wird mit einem Ende der Spule verlötet. Über die Achse verbunden drehen sich die Kommutator genannten Ringhälften mit der Spule mit. Die Schleifkontakte müs-sen sich gerade in dem Moment auf den Isolierungen befinden, in dem die Pole des Ankers den Polen des Feldmagneten gegenüberstehen. So ist gewährleistet, dass die Ankerspule bei ihrer Weiterdrehung umgepolt wird. Das Ankerspulenende, das sich vom Nordpol der Feldspule weg-bewegt, ist stets mit dem gleichen elektrischen Pol verbunden.

Energieübertragung im GeneratorA1 0 – Bewegungsenergie des Fahrrades wird im Dynamo in elektrische Energie überführt. – Chemische Energie der Kohle erhöht die innere Energie des Wassers. Diese wird in

Bewegungsenergie des Wasserdampfes umgeladen und auf die Turbine übertragen. Die Turbine überträgt die Bewegungsenergie auf den Generator, der sie in elektrische Energie umsetzt.

– Bewegungsenergie der Luft wird über Windrad und Generator in elektrische Energie überführt.

A2 $ a) Bei offenen Anschlüssen muss wenig Energie aufgewendet werden, die Bewegungs-energie beim Kurbeln wird lediglich in innere Energie des Generators mit Kurbel überführt. b) Bei angeschlossener Glühlampe muss aus der Bewegungsenergie beim Kurbeln zusätzlich noch Energie des Lichts und innere Energie der Glühlampe bereitgestellt werden. Das erfordert mehr Energie als bei offenen Anschlüssen, vermutlich wird die Person deshalb langsamer kurbeln oder nach kurzer Zeit aufhören zu kurbeln.

Gleich- und WechselstromA1 $ Die Drehgeschwindigkeit, die die gestrichelte Zeit-Spannungskurve bewirkt, ist gerade doppelt so groß wie die Vergleichsgeschwindigkeit, dargestellt durch die durchgezogene Kurve.

Aufträge S. 30

Aufträge S. 31

Aufträge S. 32

10 2 3 4 5 76

t in s

1

2

–2

–1

0

U in V

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 10 27.05.2015 09:17:17


Der TransformatorA1 $ Um einen Sekundärstrom zu induzieren, muss sich das Magnetfeld in der Primärspule ändern. Da dies nicht durch Bewegung der Teile möglich ist, lässt sich dies nur durch eine ständige Än derung der Spannung an der Primärspule erzielen. (Daher ist genau genommen aber auch eine pulsierende Gleichspannung möglich, um einen Transformatoreffekt zu erzielen.)

Vom Kraftwerk zum HaushaltA1 0 Da die potenziell benötigte zusätzliche Energiemenge schnell abgerufen werden muss, bietet sich die Speicherung in Höhenenergie an, da die Energie sofort zur Verfügung steht, sich aber auch (abgesehen von Verdunstungsverlusten) beliebig lange speichern lässt. Mit Energie-trägern, die die Energie chemisch gespeichert haben, kann man technisch nicht so flexibel auf den zusätz lichen Bedarf reagieren.

Transport und Verteilung elektrischer EnergieA1 0 Was eigentlich gemeint ist, ist die „Energieentwertung“, also die schlechtere Nutzbarkeit von Energieformen, hier u. a. die innere Energie. Besonders groß sind diese „Verluste“ bei der Energieübertragung von Brennstoff im Kraftwerk bis zum Generator und wieder im Haushalt von der Steckdose bis zur gewünschten Energienutzungsform.

A2 $ Durch Hochtransformieren der Spannung sinkt die Stromstärke (nach P = U · Ø = kon-stant), wodurch Verluste durch Erwärmung geringer ausfallen.

Aufträge S. 35

Aufträge S. 40

Aufträge S. 41

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 11 27.05.2015 09:17:17


Kapitel Radioaktivität und Materie Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

AtomeA1 $ Diskussionsergebnis sollte sein: Nichts bzw. leerer Raum. Manchmal schwierig in der Schülervorstellung. Das Stichwort „Energie“ wird hier ausgeklammert.

A2 $ Wasserteilchen drängen sich zwischen die Salzteilchen und trennen sie so voneinander. Dafür ist bei gegebener Salzmenge eine Mindestzahl an Wasserteilchen erforderlich. (Je nach Chemiekenntnissen kann hier evtl. auch von Ionen gesprochen werden).

Abschätzen der Größe von AtomenA1 0 Individueller Schülertext. Stichworte: Doppelte Tropfenzahl führt zu doppelter Fläche ( A 1 = 78,5 cm 2 , A 2 = 153,9 cm 2 ), dies spricht für gleiche Schichtdicke ⇒ Annahme: eine Molekül lage. Aus dem Volumen von 78 Tropfen kann das Volumen eines Tropfens bestimmt wer den und damit das Volumen der Schicht. Zu beachten ist: Nur 1/1 000 des Tropfenvolumens besteht aus Öl. Aus Fläche und Volumen dann die Dicke h, die den Moleküldurchmesser angibt, berechnen.

A2 0 Individueller Schülertext. Stichworte: Mischung ansetzen oder fertige Mischung verwen-den. Bärlapp samen (o. Ä.) auf Wasseroberfläche streuen. Pipette mit Lösung füllen und Tropfen-größe ein stellen. Tropfen für 1 cm 3 zählen und bei unveränderter Pipetteneinstellung einen Tropfen auf Ober fläche tropfen lassen. Kurz warten, bis der Fleck seine endgültige Größe erreicht hat. Dann so gut es geht die Fläche bestimmen, evtl. schwierig wegen des ausgefransten Randes.

A3 $ Die Rechnung liefert V 1 = 1/(78 · 1 000) cm 3 als Ölvolumen. Dies ergibt zusammen mit dem Wert für A1: h = 1/(78 · 1 000 · 78,5) cm = 1,6 · 10 –7 cm = 1,6 · 10 – 9 m Achtung: Der Wert 10 –10 m im Buch ergibt sich hier nicht direkt. Begründung: Das Ölmolekül besteht aus vielen Atomen, deswegen kann man sagen: Der Atomdurchmesser beträgt etwa 10 –10 m.

A4 $ Atomdurchmesser finden sich z. B. im Periodensystem.

Aufbau der AtomeA1 0 Kirschkerndurchmesser 0,5 cm ⇒ Vergleichsobjekt 0,5 cm · 10 5 = 50 000 cm = 500 m. In der Literatur oft verwendeter Vergleich: Zündholzkopf (0,3 cm) – Höhe des Eiffelturms (300 m)

Aufbau der AtomeA1 0 Die Kernladungszahl gibt die positive Ladung des Kerns an. Da das Atom insgesamt neutral ist, muss die negative Ladung der Hülle die des Kerns neutralisieren. Die Beträge von Protonen-ladung und Elektronenladung sind gleich. Deswegen muss es von beiden die gleiche Anzahl im Atom geben.

A2 $ Die Achsen geben Neutronen- bzw. Protonenzahl an. Chemisch gleiche Elemente haben gleich viele Elektronen und Protonen. Ihre Plätze liegen also „parallel“ zur N-Achse. Isotope des gleichen Elementes unterscheiden sich nur durch die Neutronenzahl.

Unsichtbare StrahlungA1 $ Da der radioaktive Zerfall ein stochastischer Prozess ist, kommt man bei großen Zahlen zu sinnvollen Mittelwerten. Deswegen empfiehlt sich, die Messdauer lang zu wählen. Wie lang hängt davon ab, wie dicht die Impulse folgen.

Radioaktivität wird gemessenA1 0 Sich der Strahlung möglichst kurze Zeit aussetzen. Abstand halten. Sich durch geeignete Substanzen abschirmen.

Aufträge S. 46

Aufträge S. 47

Aufträge S. 48

Aufträge S. 49

Aufträge S. 52

Aufträge S. 54

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 12 27.05.2015 09:17:18


A2 $ Strahlenschutzverordnung von 2001:

§ 46 Begrenzung der Strahlenexposition der Bevölkerung(1) Für Einzelpersonen der Bevölkerung beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis durch Strahlen -

expositionen aus Tätigkeiten nach § 2 Abs. 1 Nr. 1 ein Millisievert im Kalenderjahr.(2) Unbeschadet des Absatzes 1 beträgt der Grenzwert der Organdosis für die Augenlinse 15 Milli-

sievert im Kalenderjahr und der Grenzwert der Organdosis für die Haut 50 Millisievert im Kalender jahr.

§ 49 Sicherheitstechnische Auslegung für den Betrieb von Kernkraftwerken, für die standort nahe Aufbewahrung bestrahlter Brennelemente und für Anlagen des Bundes zur Sicherstellung und zur Endlagerung radioaktiver Abfälle(1) Bei der Planung baulicher oder sonstiger technischer Schutzmaßnahmen gegen Störfälle

in oder an einem Kernkraftwerk, das der Erzeugung von Elektrizität dient, darf bis zur Still-legung nach § 7 Abs. 3 des Atomgesetzes unbeschadet der Forderungen des § 6 in der Um gebung der Anlage im ungünstigsten Störfall durch Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung höchs tens

1. eine effektive Dosis von 50 Millisievert, 2. eine Organdosis der Schilddrüse und der Augenlinse von jeweils 150 Millisievert, 3. eine Organdosis der Haut, der Hände, der Unterarme, der Füße und Knöchel von jeweils

500 Millisievert, 4. eine Organdosis der Keimdrüsen, der Gebärmutter und des Knochenmarks (rot) von jeweils

50 Millisievert, 5. eine Organdosis der Knochenoberfläche von 300 Millisievert, 6. eine Organdosis des Dickdarms, der Lunge, des Magens, der Blase, der Brust, der Leber, der

Speiseröhre, der anderen Organe oder Gewebe gemäß Anlage VI Teil C Nr. 2 Fußnote 1, soweit nicht unter Nummer 4 genannt, von jeweils 150 Millisievert zugrunde gelegt werden. Maß-gebend für eine ausreichende Vorsorge gegen Störfälle nach Satz 1 ist der Stand von Wissen-schaft und Technik.

§ 55 Schutz bei beruflicher Strahlenexposition(1) Für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 20 Milli-

sievert im Kalenderjahr. § 58 bleibt unberührt. Die zuständige Behörde kann im Einzelfall für ein einzelnes Jahr eine effektive Dosis von 50 Millisievert zulassen, wobei für fünf aufeinander folgende Jahre 100 Millisievert nicht überschritten werden dürfen.

(2) Der Grenzwert der Organdosis beträgt für beruflich strahlenexponierte Personen: 1. für die Augenlinse 150 Millisievert, 2. für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 500 Millisievert, 3. für die Keimdrüsen, die Gebärmutter und das Knochenmark (rot) jeweils 50 Millisievert, 4. für die Schilddrüse und die Knochenoberfläche jeweils 300 Millisievert, 5. für den Dickdarm, die Lunge, den Magen, die Blase, die Brust, die Leber, die Speiseröhre,

an dere Organe oder Gewebe gemäß Anlage VI Teil C Nr. 2 Fußnote 1, soweit nicht unter Nummer 3 genannt, jeweils 150 Millisievert im Kalenderjahr.

(3) Für Personen unter 18 Jahren beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 1 Millisievert im Kalenderjahr. Der Grenzwert der Organdosis beträgt für die Augenlinse 15 Millisievert, für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 50 Millisievert im Kalenderjahr. Abweichend von den Sätzen 1 und 2 kann die zuständige Behörde für Auszubildende und Studierende im Alter zwischen 16 und 18 Jahren einen Grenzwert von 6 Millisievert für die effektive Dosis, 45 Millisievert für die Organdosis der Augenlinse und jeweils 150 Millisievert für die Organdosis der Haut, der Hände, der Unterarme, der Füße und Knöchel im Kalenderjahr festlegen, wenn dies zur Erreichung des Ausbildungszieles notwendig ist.

(4) Bei gebärfähigen Frauen beträgt der Grenzwert für die über einen Monat kumulierte Dosis an der Gebärmutter 2 Millisievert. Für ein ungeborenes Kind, das aufgrund der Beschäftigung der Mutter einer Strahlenexposition ausgesetzt ist, beträgt der Grenzwert der Dosis aus äußerer und innerer Strahlenexposition vom Zeitpunkt der Mitteilung über die Schwanger-schaft bis zu deren Ende 1 Millisievert.

Aufträge S. 54

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 13 27.05.2015 09:17:18


§ 56 BerufslebensdosisDer Grenzwert für die Summe der in allen Kalenderjahren ermittelten effektiven Dosen beruflich strahlenexponierter Personen beträgt 400 Millisievert. Die zuständige Behörde kann im Be-nehmen mit einem Arzt nach § 64 Abs. 1 Satz 1 eine weitere berufliche Strahlenexposition zu-lassen, wenn diese nicht mehr als 10 Millisievert effektive Dosis im Kalenderjahr beträgt und die beruflich strahlenexponierte Person einwilligt. Die Einwilligung ist schriftlich zu erteilen.

§ 58 Besonders zugelassene Strahlenexpositionen(1) Unter außergewöhnlichen, im Einzelfall zu beurteilenden Umständen kann die zuständige

Behörde zur Durchführung notwendiger spezifischer Arbeitsvorgänge Strahlenexpositionen abweichend von § 55 Abs. 1, 2 und 4 Satz 1 zulassen. Für diese besonders zugelassene Strah len - exposition beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 100 Millisievert, der Grenzwert der Organdosis für die Augenlinse 300 Millisievert, der Grenzwert der Organdosis für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 1 Sievert für eine Person im Berufs leben.

(2) Einer Strahlenexposition nach Absatz 1 dürfen nur Freiwillige, die beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A sind, ausgesetzt werden, ausgenommen schwangere Frauen und, wenn die Möglichkeit einer Kontamination nicht ausgeschlossen werden kann, stillende Frauen.

(3) Eine Strahlenexposition nach Absatz 1 ist im Voraus zu rechtfertigen. Die Personen nach Absatz 2 sind über das mit der Strahlenexposition verbundene Strahlenrisiko aufzuklären. Der Betriebsrat oder der Personalrat, die Fachkräfte für Arbeitssicherheit, der Arzt nach § 64 Abs. 1 Satz 1 oder die Betriebsärzte, soweit sie nicht Ärzte nach § 64 Abs. 1 Satz 1 sind, sind zu be teiligen.

§ 59 Strahlenexposition bei Personengefährdung und Hilfeleistung(1) Bei Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren für Personen ist anzustreben, dass eine effektive

Dosis von mehr als 100 Millisievert nur einmal im Kalenderjahr und eine effektive Dosis von mehr als 250 Millisievert nur einmal im Leben auftritt.

(2) Die Rettungsmaßnahmen dürfen nur von Freiwilligen über 18 Jahren ausgeführt werden, die zuvor über die Gefahren dieser Maßnahmen unterrichtet worden sind.

Arten radioaktiver StrahlungA1 0 Verdopplung des Abstandes bringt auf jeden Fall eine Reduktion der Belastung auf ¼ (Schülerbuch, S. 56 B2 links: z. B. Verdopplung von 10 cm auf 20 cm ändert die Zählrate von 300 auf 75).Schülerbuch, S. 56 B2 rechts: bei Änderung der Schichtdicke von 10 auf 20 mm fällt die Zählrate von ca. 90 auf ca. 30, d. h. geringere Reduktion. Hier wäre also die Verdopplung des Abstandes effektiver.Setzt man für die Absorption an z(d) = z(0) · e –k·d , so ist z(2 d)/z(d) = e –k·d . Dies zeigt, dass bei der Absorption die Wirkung der Verdopplung sowohl von der Ausgangsdicke als auch von der Mate rialkonstante abhängt.

Argumentieren und Messen A1 0 Darstellung mit Trendlinie

Aufträge S. 54

Aufträge S. 56

Aufträge S. 57

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 14 27.05.2015 09:17:18


A2 0 Die Kurve fällt zunächst stark und wird dann flacher. Sie nähert sich der waagerechten Achse. Bei Verdopplung von r sinkt z etwa auf ¼ (310/1 280 = 0,24, 78/310 = 0,25), bei Ver-dreifachung auf etwa 1/9 (139/1 280 = 0,11).

A3 $ Wenn der Abstand verdoppelt bzw. verdreifacht wird, verringert sich der Anteil der auf das Zählrohr fallenden Strahlung auf den 4. bzw. 9. Teil. Begründung: Gemäß B2 vergrößert sich bei Verdopplung, Verdreifachung, … des Abstandes die Fläche, auf die sich die Strahlung verteilt auf das Vierfache, Neunfache, … Der Strahlungsanteil, der auf die Flächeneinheit fällt, wird bei angenommener gleichmäßiger Verteilung entsprechend geringer. Und damit auch der Anteil, der ins Zählrohrfenster mit fester Fläche fällt.

A4 $

1 · r 2 · r 3 · r 4 · r 5 · r n · r

1 · z z/4 z/9 z/16 z/25 z/n2

A5 . Nach dem gewonnen Abstandsgesetz verringert sich die auf eine bestimmte Fläche, z. B. die Körperfläche, treffende Strahlungsdosis mit dem Quadrat der Entfernung.

Die Entstehung radioaktiver StrahlungA1 0 Siehe Schülerbuch, S. 58: Uran-Radium-Reihe

Biologische StrahlenwirkungA1 $ a-Strahlung hat den größten Qualitätsfaktor, d. h., ihre schädigende biologische Wirksam-keit ist am größten. Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn sie z. B. mit Nahrungsmitteln oder mit der Atemluft ins Körperinnere gelangt.

Energie aus KraftwerkenA1 0 Die Kettenreaktion muss jederzeit beendet werden können. Dies geschieht durch Einfahren ggf. zusätzlicher Regelstäbe. Um ein unkontrolliertes Aufheizen zu verhindern, ist das Kühlsystem mehrfach ausgelegt. Würden das Kühlsystem und alle Notkühlsysteme ausfallen, so würden sich die Brennelemente so stark erhitzen, dass sie schmelzen und Teile des Reaktorinhaltes würden verdampfen. Damit dieser Dampf nicht in die Umwelt gelangt, befindet sich um den gesamten nuklearen Teil des Kraftwerks ein Sicherheitsbehälter aus Stahl und Stahlbeton. Ansonsten gelten strikte Zugangskontrollen, sodass auf keinen Fall Unbefugte in die Anlage gelangen können.

A2 . Vorteile: Emissionsarme (v. a. Kohlenstoffdioxid) Energieerzeugung für die Grund- und Mittellast, keine Abhängigkeit von Witterung, Sonnenstrahlung usw. Nachteile: komplexe, schwierig zu beherrschende Hochtechnologie; begrenzter Rohstoff (Uranerz); Rohstoffe sowie Zwischen-, Neben- und Endprodukte hochgiftig bzw. radioaktiv mit z. T. sehr großen Halbwertszeiten; Kontaminierung schon beim Abbau; ungelöste Entsorgung bzw. End lagerung der radioaktiven Stoffe; mögliche Betriebsunfälle oder Anschläge/Sabotage mit gra vierenden Folgen durch Freisetzen großer Mengen radioaktiver Stoffe (Gas, Staub, Fall-out), dadurch langfristige Verseuchung riesiger Gebiete möglich.

Aufträge S. 57

Aufträge S. 58

Aufträge S. 61

Aufträge S. 66

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 15 27.05.2015 09:17:18


Kapitel Kosmos und Forschung Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

WeltmodelleA1 $

Geozentrisches Weltbild Heliozentrisches Weltbild

Vertreter/Herkunft altgriechisch (Aristoteles, Ptolemäus) sowie mittelalterlich

Aristarch, Renaissance/Aufklärung (Kopernikus, Galilei, Brahe, Kepler, Newton)

Zentrum des Systems Erde Sonne

umlaufende Himmels-körper

auf Sphären, Sonne auf eigener Kreisbahn

auf Ellipsenbahnen

Erklärung der Planetenbewegungen

Epizykeltheorie Umlaufbahnen von Erde und Planet

Erklärung der Planetenbewegungen gestützt durch

oberflächliche Alltagsbeobachtung Fernrohrbeobachtungen, Kepler’sche Gesetze, Newton’sche Mechanik, Realbeobachtung (Raumfahrt)

Interferometer selbst gebaut A1 $

Eine von J ausgehende Welle wird bei ¯ teilweise reflektiert und teilweise gebrochen. Danach gibt es zwei Lichtwege, die bei R auf dem Beobachtungsschirm enden.1: Reflexion bei ¯, Brechung bei K, Reflexion bei P, Brechung bei L 2: Brechung bei ¯, Reflexion bei O, Brechung bei M, Reflexion bei L

Bei L werden beide Teilwellen wieder zusammengeführt. Bei idealen Verhältnissen gibt es keinen Gangunterschied und infolgedessen nur Verstärkung. Bei hinreichend dicken Platten sind die beiden Wege zwischen den Platten soweit voneinander getrennt, dass auf einem ein Medium mit anderem Brechungsindex eingebracht werden kann, z. B. Luft mit anderer Temperatur und damit anderer Massendichte und optischer Dichte. Dann gibt es von Null verschiedene Gang-unterschiede. Wenn die Platten nicht präzise parallel stehen, er geben sich auch dadurch Gang-unterschiede und demzufolge ein Interferenzmuster. Dieses verschiebt sich dann bei Einbringen des Mediums auf dem einen Weg.

A2 $ Zum Michelson-Interferometer analog s. Schülerbuch S. 86.

A3 . Siehe obige Erklärung zum Jamin-Interferometer.

Aufträge S. 72

Aufträge S. 86

Laserstrahl Strahlstopp

Beobachtungs- schirm

planparallele Platten, Dicke deutlich größer als die Wellenlänge Probe

J

Blende

O

¯M

K

P L R

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 16 27.05.2015 09:17:18


ElementarteilchenA1 $ Das Neutron besteht aus zwei d-Quarks mit jeweils – 1⁄ 3 Ladung und einem u-Quark mit + 2⁄ 3 Ladung, es ist damit nach außen hin neutral. Da das freie Neutron instabil ist und mit einer Lebensdauer von 918 s in ein Proton zerfällt, das aus zwei u-Quarks und einem d-Quark besteht, folgt aus den bei Elementarteilchen gültigen Erhaltungssätzen, dass beim Zerfall des Neutrons ein Elektron und ein Anti-Elektronenneutrino ausgesandt werden.

Aufträge S. 93

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 17 27.05.2015 09:17:18


Kapitel Wärmeleitung und System Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen

Energietransport in MaterieA1 0 Die Glassorten waren oft nicht hitzebeständig. Man wollte so die Energie des heißen Wassers über den Löffel ableiten, damit das Glas nicht springt.

A2 $ Eine niedrige Leitfähigkeit benötigt man z. B. dort, wo das Haus „gedämmt“ wird, also im Dach bzw. an den Fassadenwänden oder der Kellerdecke. Eine gute Leitfähigkeit z. B. ist bei Koch-topfböden erwünscht. Die Wärmeleitpaste soll den Energietransport vom sich erhitzenden Chip zu seinem Kühlkörper verbessern.

Energietransport mit Materie A1 0 (vgl. auch Schülerbuch, S. 101, A1)Unterschiede: Bei der Wärmemitführung wird neben der Energie auch das Material transportiert, bei der Wärmeleitung nicht. Bei der Wärmemitführung ist der Energietransport meist schneller als bei der Wärmeleitung. Gemeinsamkeiten: In beiden Fällen wird (mit Hilfe von Materie) Energie übertragen.

A2 0 Meeres- und Luftströmungen, Wasserkühlung beim Auto, Haarföhn, Heizlüfter bzw. Gebläse im Auto, Zentralheizung, Warmwasserversorgung, …

A3 $ Bei der Warmwasserheizung (Ab-bildung) wird Wasser im Heizkessel erhitzt; es nimmt dabei Energie auf. Durch die Pumpe wird es zum Heizkörper befördert. Die vom Wasser mitgeführte Energie wird dort an die Luft abgegeben. Das abgekühlte Wasser gelangt wieder in den Heizkessel und der Kreislauf beginnt von Neuem. Bei der Erwär-mung dehnt sich das Wasser im Rohrsystem aus. Es weicht dann in das Ausgleichsgefäß aus. Ohne dieses Ausgleichsgefäß könnten die Rohre platzen.

Energietransport ohne Materie A1 0 (vgl. auch Schülerbuch, S. 99, A1)

Wärmeleitung Wärmemitführung Wärmestrahlung

Materie erforderlich Materie erforderlich Materie nicht erforderlich

Materie wird nicht bewegt Materie wird bewegt –

Energietransport langsam Energietransport schneller Energietransport sehr schnell

Aufträge S. 97

Aufträge S. 99

Pumpe

Brenner

Kessel

Ausgleichs-gefäß

Heiz-körper

Aufträge S. 101

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 18 27.05.2015 09:17:18


A2 $ Helle Kleidung absorbiert weniger Strahlungsenergie, es kommt zu einer geringeren Er höhung der Energie im Inneren und damit zu einer geringeren Erhöhung der Temperatur. (Allerdings ergibt sich bei nicht völlig lichtdichter dünner Kleidung das Problem, dass die hellen Fasern das Licht auf die Haut reflektieren, weshalb in heißen Ländern oft dünne, aber schwarze Stoffe lose getragen werden, welche durch ihre Aufheizung zusätzlich die Luftzirkulation am Körper durch Konvektion unterstützen.)

A3 $ Zu den Seiten in erster Linie durch Wärmestrahlung; nach oben im Wesentlichen durch selbstständige Wärmemitführung.

Temperaturunterschiede und Energieströme A1 $ Argumente dafür: Umrühren bedeutet (Bewegungs-)Energie zuführen, dadurch stärkere Teilchenbewegung und somit auch Durchmischung; Zeit spielt in der Aussage keine Rolle.Argumente dagegen: Je höher die Temperatur, desto mehr (innere) Energie, desto stärker ist die Teilchenbewegung und somit auch die Durchmischung; je kälter das Wasser, desto weniger (innere) Energie, desto schwächer die Teilchenbewegung, desto langwieriger die Durchmischung (ggf. bleiben Reste).Fazit: Aussage nicht falsch; Temperatur spielt aber Rolle.

Innere Energie A1 $ Im Schülerband, S. 108, B3 wird deutlich, dass von einem Körper mit hoher Temperatur so lange Energie auf einen Körper mit niedriger Temperatur übergeht, bis beide die gleiche Tempe ratur haben. In B1 hat das Metallstück eine höhere Temperatur als das umgebende Wasser. Es gibt deswegen Energie ab, die Pfeile zeigen es an. In B2 haben Metall und umgebendes Wasser die gleiche Temperatur, es findet keine Energieübertragung mehr statt.

A2 $ Auf der Seite wird erläutert, dass sich gleiche Mengen verschiedener Stoffe bei gleicher Energie zufuhr unterschiedlich erwärmen. Dieser Fall liegt hier vor. B4 zeigt, dass Wasser im Vergleich zu anderen Stoffen viel Energie braucht, um seine Temperatur um ein Grad zu steigern. Bei gleicher Energiezufuhr ist deswegen die Temperatur von Sand sehr viel mehr gestiegen als die von Wasser.

Innere Energie wird genutzt A1 0 Der Wirkungsgrad ist grundsätzlich kleiner oder gleich 1. Weil Energieübertragung in der Regel immer auch einen Anteil von Energie enthält, die nicht dem gewünschten Nutzen ent-spricht, in der Praxis immer kleiner als 1. Beim Wasserkocher wird elektrische Energie in innere Energie überführt. Die Heizschlange wird vom Wasser umspült. Als „Verlustenergie“ tritt nur der Teil auf, der vom heißen Wasser an die Umgebung abgegeben wird. Das geschieht an der Ober fläche, d. h., zunächst muss die Energie alles Wasser durchströmen und erst dann beginnt die Abgabe an die Umgebung.

Entropie anschaulichA1 $ Der Kühlschrank benutzt elektrische Energie von außerhalb des Raumes dazu, um innere Energie und Entropie aus seinem Inneren in den Raum zu pumpen. Ein Teil der elektrischen Energie wird dabei zusätzlich zu innerer Energie entwertet, es wird Entropie erzeugt. In Summe wird ein geöffneter Kühlschrank also den Raum „heizen“.

A2 $ Lawinenabgang (mechanische Reibung), Stereoanlage (elektrischer Widerstand und mechanische Reibung), Knallgasexplosion (chemische Reaktion), Alterungsprozess (chemische Reaktion).

Aufträge S. 101

Aufträge S. 106

Aufträge S. 108

Aufträge S. 111

Aufträge S. 116

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 19 27.05.2015 09:17:18


Kühlen und Heizen durch Verdampfen A1 0 Prinzipiell bestehen funktional zwischen einer Wärmepumpe und einem Kühlschrank keine Unterschiede: Von außen wird Energie zugeführt (elektrische oder innere), durch die als mechanische Energie der Pumpe innere Energie aus einem Raum in den anderen Raum trans-portiert wird. Beim Kühlschrank von einem Innenraum in die Umgebung, bei der Wärmepumpe vom Außenraum in den Innenraum.

A2 $ Man müsste den Kühlschrank mit offener Türe ins Fenster montieren, sodass sich die Verflüs siger-Wendeln im Innenraum befinden.

Aufträge S. 119

ip_lb_rpf_772285_7_10.indd 20 27.05.2015 09:17:19

Documents

Arbeitsbuch 2 Lösungen · Das zugehörige Unterrichtswerk Impulse Physik Rheinland-Pfalz Arbeitsbuch 2 wurde auf der Grundlage der Ausgaben Impulse Physik Niedersachsen, Impulse