Elektrizität und Energie 9

Elektrische Ladung

1 Beschreibe und erkläre folgendes Experiment. Verwende dabei die folgenden Begriffe und Formulierungshilfen: Ladung übertragen / elektrische Abstoßung / Zeigerausschlag / Ladungsausgleich

Vom negat iv ge ladenen

Kunststoffstab w ird Ladung

auf das E lektroskop über­

tragen. Dadurch laden s ich

sowohl der Metal lstab a ls

auch der Ze iger des E lektro­

skops negat iv auf. Aufgrund

der e lektr ischen Abstoßung

zwischen dem Ze iger und

dem Metal lstab kommt es

zu e inem Ze igerausschlag .

Berührt man das E lektroskop nun mit dem posit iv ge­

ladenen Glasstab, kommt es zum Ladungsausgle ich und

der Ze igerausschlag geht zurück .

2 Zieht man einen Pullover über seine frisch gewaschenen Haare, stehen sie anschließend manchmal zu Berge. Nenne zwei weitere Beispiele zu demselben Sachverhalt.

Berührt man be im Ausste igen aus dem Auto d ie Karosse­

r ie , erhä lt man manchmal e inen e lektr ischen Schlag , trennt

man zwe i Fo l ien (z . B . e ines Schne l lhefters) , b le iben Staub­

krümel und Papierschnipse l daran hängen.

3 Ein Kunststoffstab wird an einem Lappen gerieben. Anschließend berührt man den Stab an verschiedenen Stellen mit einer Glimmlampe. Formuliere deine Beobachtungen.

Berührt der abger iebene Stab d ie Enden der Gl immlampe,

leuchtet das Ende der Stabse ite auf.

1

Kunst-stoffstab

3

2

4

––

––

––

–

++

++

++

+

Glasstab

DO01772285_K01_02.indd 9 17.12.2014 15:24:57

12  Elektrizität und Energie

Elektrische Felder

1  Ergänze die Lücken.

Ein elektrisches Feld ist ein  Raumbere ich , in dem auf  ge ladene  

 Probekörper  e lektr ische Kräfte  wirken. Elektrische Felder kann man mit Hilfe von  

Feld l in ien  darstellen. Elektrische Feldlinien haben folgende Eigenschaften: Sie verlaufen vom  

posit iven Po l  zum  negat iven Po l , sie  schne iden  sich nicht, 

sie  treten  senkrecht  aus und treffen  senkrecht  auf, in Richtung der Feldlinien 

herrschen  Kräfte , quer zu ihnen  n icht . Das elektrische Feld ist Träger von  

e lektr ischer Energ ie .

2  Zeichne die Feldlinienbilder.

3  Zeichne die Ladungen ein.

4  Ein negativ geladener Stab wird in die Nähe eines Elektroskops gehalten. Obwohl der Stab das Elektroskop nicht berührt, schlägt der Zeiger aus. Entfernt man den Stab, geht der Zeigerausschlag sofort zurück.     Erkläre die Erscheinung. 

Die Abstoßung versch iebt d ie negat iven

Ladungen nach unten. So entsteht oben e in

Überschuss an posit iver Ladung. Ohne Stab

g le ichen s ich d ie Ladungen w ieder aus.

+

–

– – – – –

+

–

DO01772285_K01_02.indd 12 17.12.2014 15:10:33

22  Elektrizität und Energie

Energieübertragung

1  Zähle mindestens vier Geräte auf, die bei einer Unterbrechung der Energieversorgung über das elektrische Netz nicht mehr funktionieren.

elektr ische Beleuchtung, Kühlschrank, Fernseher, Computer,

Waschmaschine, …

Bei welchen Geräten kann ein längerer Ausfall problematisch werden?

Bei Ampelan lagen, T iefküh lschränken, He izungen (auch Öl- /

Gasheizungen) , Krankenhausgeräten.

2  Informiere dich darüber, welche Energieträger zur Energieüberführung in elektrische Energie genutzt  werden. Zeichne die Energieflussdiagramme.

Werte 2011 :

Kernenerg ie : 17 ,7 % ; Koh le : 41 ,7 % ; Erdgas: 14 ,2 %;

sonst ige fossi le : 5 ,4 %; erneuerbare Energ ien : 21 %

3  Nenne Geräte, die elektrische Energie in andere Energieformen überführt. Gib jeweils die Energie­übertragung an.

Motor: elektrische Energie mechanische Energie

Taschenlampe: elektr. Energie Lichtenergie, innere Energie

4  Eine Energiesparlampe (11 W) hat eine durchschnittliche Betriebsdauer von 5 Stunden täglich.  Welche Kosten entstehen im Jahr, wenn ein Verbrauchspreis von 26,4 Cent pro kWh gilt?

Beispiel Kohlekraftwerk:

Beispiel Windkraftanlage:

W e l = P ∙ t = 1 1 W ∙ (5 h ∙ 365) = 20 075 Wh = 20 kWh

Anfa l lende Kosten: 26,4 ct __ kWh ∙ 20 kWh = 528 ct = 5 ,28

Der Betr ieb der Lampe kostet im Jahr über 5 .

Kinetische Energie Kinetische Energie elektrische Energie

Chemische Energie innere Energie mechanische Energie elektrische Energie

DO01772285_K01_02.indd 22 17.12.2014 15:26:39

28 Elektrizität und Energie

Erzeugen einer Spannung ¯

a

b

c

Aufgabe: Untersuche, wann in einer Spule eine Spannung induziert wird und wovon der Betrag und die Polung dieser Spannung abhängen.

Material: Stabmagnet, Elektromagnet, Gleichspannungsquelle, Schalter, Spulen mit verschiedenen Windungszahlen, Spannungsmessgerät mit Zeiger in Mittelpunktstellung

Versuchsskizze:

¯U

2 Vervollständige die Aussage: In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn

sich d ie Stärke des Magnetfe ldes ändert , das d ie Spule

durchsetzt .

3 Wiederhole die Versuche mit einer Spule mit größerer (kleinerer) Windungszahl. Was stellst du fest?

Bei Verwendung e iner Spule mit größerer (k le inerer)

Windungszahl ist d ie induz ierte Spannung größer (k le iner)

a ls im oben betrachteten Fal l .

1 a) Untersuche, bei welcher Bewegung des Stab­magne ten eine Spannung in der Spule induziert wird. Kreuze die richtigen Aussagen an. Eine Spannung wird induziert, wenn man …

X … den Magneten in die Spule einführt.

X … den Magneten aus der Spule herauszieht.

… den Magneten um die Achse (a) dreht.

X … den Magneten um die Achse (b) dreht.

X … den Magneten um die Achse (c) dreht.

b) Die Versuche werden nun mit einem Elektro­magneten durchgeführt. Vergleiche die Ergebnisse. Eine Spannung wird induziert, wenn man …

X … den Elektromagneten der Spule nähert.

X … den Elektromagneten von der Spule entfernt.

… den Elektromagneten um die Achse (a) dreht.

X … den Elektromagneten um die Achse (b) dreht.

X … den Elektromagneten um die Achse (c) dreht.

Name Klasse Datum

DO01772285_K01_02.indd 28 16.12.2014 16:12:56

Elektrizität und Energie 29

Erzeugen einer Spannung ¯¯

4 Der Magnet bleibt nun in Ruhe, stattdessen wird die Spule bewegt. Untersuche, bei welcher Bewegung in der Spule eine Spannung induziert wird.

Bewegt man d ie Spule re lat iv zum Stabmagneten, w ird e ine

Spannung induz iert , ebenso be i e iner Drehung der Spule

um d ie Achsen b und c.

5 Ein Elektromagnet und die Spule werden so aus gerichtet, dass ihre Achsen parallel zueinander verlaufen. Untersuche, wann in der Spule eine Spannung induziert wird.

Eine Spannung wird induziert, wenn man …

X … den Elektromagneten einschaltet.

X … den Elektromagneten ausschaltet.

X … den Strom durch den Elektromagneten vergrößert.

X … den Strom durch den Elektromagneten verkleinert.

X … einen Eisenkern in den Elektromagneten hineinschiebt.

X … den Eisenkern aus dem Elektromagneten herauszieht.

6 Fasse die Ergebnisse der Aufgaben 1 bis 5 zusammen.a)  In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn

sich d ie Stärke des Magnetfe ldes ändert , das d ie Spule

durchsetzt .

b)  Die induzierte Spannung ist umso größer,

j e schne l ler d ie Änderung des Magnetfe ldes er fo lgt und je

größer d ie Windungszahl der Spule ist .

c)  Die Polung der Induktionsspannung bzw. die Richtung des Zeigerausschlages hängt ab von …

Bewegungsr ichtung der Spule ; R ichtung der Magnetfe ld­

l in ien ; Art der Magnetfe ldänderung durch d ie Spule .

¯U

Name Klasse Datum

DO01772285_K01_02.indd 29 16.12.2014 16:12:56

Elektrizität und Energie 33

Wechselstromgeneratoren

1 Benenne die Teile des abgebildeten Wechselstromgenerators.

A

B

C

D

2 Erkläre, warum in dem oben abgebildeten Generator eine Wechselspannung induziert wird.

Die Umdrehung des Ankers ändert per iod isch d ie Stärke

des Magnetfe ldes in der Ankerspule und induz iert an den

Enden der Spule e ine Wechse lspannung.

3 Gib die Bedeutung und das Formelzeichen folgender Kenngrößen einer Wechselspannung an:

Amplitude:

Momentanwert:

Frequenz:

Periodendauer:

4 Gib Periodendauer, Frequenz und Amplitude des im t­¯­Diagramm dargestellten Wechselstroms an.

N

S CD

A

B

¯ in A

t in s

0,6

0,4

0,2

0

–0,2

–0,4

–0,6

0,05 0,10

T =

f =

max =

5 Was müsste man am Aufbau des oben abgebildeten Generators ändern, um an seinen Anschlüssen eine Gleich spannung abgreifen zu können? Gib eine Möglichkeit an.

Man müsste d ie be iden Kontaktr inge durch e inen R ing er­

setzen, der aus zwe i Halbr ingen besteht (Kommutator) . In

d iesem Fal l erhä lt man e ine pu ls ierende Gle ichspannung.

0, 1 s

10 Hz

0,65 A

Maximalwert der Spannung; U max

Augenblicklicher Wert sich ändernder Größe; U(t)

Anzahl der vollständigen Wechsel pro Zeiteinheit; f

Zeitspanne b is zum Ausgangszustand; T

Dauermagnet

Anker

Schle i fr inge

Schle i fkontakte

DO01772285_K01_02.indd 33 16.12.2014 16:12:57

34 Elektrizität und Energie

Fahrraddynamo

1 Vervollständige folgenden Text:

Der Fahrraddynamo stellt e ine e lektr ische Energ ieque l le dar.

Zu ihnen zählen auch noch Batter ien , Akkumulatoren , Netzgeräte,

Generatoren und Solarze l len .

2 Hier sind die wichtigsten Bauteile eines Dynamos aufgeführt. Übertrage die entsprechenden Nummern in nebenstehende Skizze:

Bild 1

4 Die nebenstehende Abbildung zeigt das Modell einer Fahrradbeleuchtung. Könnte man die Metallschiene zwischen den beiden Stangen auch weglassen? Begründe deine Antwort.

3 Vervollständige folgenden Lückentext. Verwende die Begriffe: Antriebsrad, heller, induziert, höher, Energieübertragung, Bewegungsenergie, elektrische Energie, mitdrehender Magnet, größer

Im Dynamo findet eine Form der Energ ieübertragung statt, und zwar

wird Bewegungs energie in e lektr ische Energ ie umgesetzt.

Wird das Antr iebsrad schneller gedreht, erhält der drehende Magnet

mehr Bewegungsenerg ie , wobei das Licht he l ler wird. Je größer die

Dreh geschwindigkeit, desto größer die induz ierte Spannung.

1 Antriebsrad2 Verbindung der Spule mit dem Gehäuse3 Achtpoliger Magnet4 Spule5 Anschlussklemme

Nein , der Stromkre is für das Rück l icht

w ird über den Spulenanschluss, das

Dynamogehäuse und d ie Stangen ge­

sch lossen; ohne Metal lsch iene leuch­

tet nur der Sche inwer fer.

1

2

3 4

5

DO01772285_K01_02.indd 34 16.12.2014 16:12:58

Elektrizität und Energie 37

Transformatoren

1 Zeichne die Schaltskizze eines Stromkreises mit Transformator, Spannungsquelle U 1, Glühlampe auf der Sekundärseite und Messgeräten für U 1 und U 2 .

2 Wie ändert sich die Sekundärspannung U 2 , wenn man U 1 erhöht? Begründe deine Aussage.

3 Die Messungen an einem Transformator ergaben folgende Werte:

U1inV 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0

U2inV 1,9 4,0 5,8 8,0 9,9

U2:U1 0,48 0,48 0,50 0,48 0,50

a) Werte die vorgegebene Messreihe aus. Erstelle aus den Messwerten ein Diagramm und formuliere ein Ergebnis.

b) Überprüfe dieses Ergebnis durch Rechnung (siehe Tabelle).

4 Welche Spannung misst du an den Enden der Sekundärspule, wenn du die Primärspule an eine Gleich­spannungsquelle anschließt?

Nur be im Ein- und Ausschalten kommt es zur Magnetfe ld-

änderung und damit zu e iner Indukt ionsspannung: Ke ine.

5 Nenne Beispiele für die Anwendung von Transformatoren.

Energ ieversorgung („Trafohäuschen“ , „Umspannwerk“) ,

He imelektron ik , Ladegeräte, N iedervo lt-Halogen lampen,

Netzgeräte für Schülerexper imente

U2 in V

U1 in V

U1 U2~

Ergebnis : anste igende Ursprungsgerade. U 1 und U 2 s ind

proport ional zue inander.

Erhöht man U 1 , erhöht s ich U 2 proport ional zu U 1 , da auch

d ie Stärke des von der Pr imärspule erzeugten Magnet-

fe ldes zun immt, das d ie Sekundärspule durchsetzt .

U2 in V

U1 in V

0 20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0

22 24

2

4

6

8

10

12

DO01772285_K01_02.indd 37 17.12.2014 14:11:28

42 Elektrizität und Energie

Kraftwerke

1 Der Bedarf an elektrischer Energie, den Industrie, Handwerk, Landwirtschaft und Verwaltung sowie die Haushalte haben, schwankt im Verlauf eines Tages stark. In der Zeitspanne von 20 Uhr bis 24 Uhr nimmt der Energiebedarf um ein Viertel ab. Vervollständige das Diagramm.

2 Manchmal muss sehr schnell Energie bereitgestellt werden. Unter den genannten Kraftwerken findet sich eines, das den zusätzlichen Bedarf sofort abdecken kann. Kreuze die richtige Antwort an.

Heizkraftwerk X Pumpspeicherkraftwerk Windkraftwerk Solarkraftwerk

3 Die Abbildung zeigt einen Versuchsaufbau mit einem absinkenden Körper, einem Dynamo und einer Glühlampe. Ordne diesem Aufbau ein Kraftwerk aus Aufgabe 2 zu, das ebenfalls nach dem dargestellten Prinzip arbeitet. Begründe deine Wahl.

Die Lageenergie des Massestücks wird über

Bewegungsenergie durch den Dynamo in elek­

trische Energie überführt. Ein Pumpspeicher­

kraftwerk arbeitet nach demselben Prinzip.

4 Die folgenden Diagramme zeigen für zwei Arten von Kraftwerken die dort stattfindenden Energie­übertragungen. Ergänze die Energieflussdiagramme und gib an, zu welchen Kraftwerken sie gehören.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Tageszeit

Energiebedarf

Ekin

Ech Kessel Ekin

Wärmekraftwerk

Wasser­ oder Windkraftwerk

a)

b)

E therm Wasser­dampf

Turbine/Generator

Turbine Generator

E el

EelE kin

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Tageszeit

Energiebedarf

DO01772285_K01_02.indd 42 16.12.2014 16:12:59

Elektrizität und Energie 43

Versorgung mit elektrischer Energie

1 In vielen Kraftwerken unterschiedlichen Typs findet man Turbinen und Generatoren. Welchen Zweck erfüllen diese Bauteile?

Sie über führen Bewegungsenerg ie in e lektr ische Energ ie .

2 Welche Möglichkeiten siehst du, um Energiekosten im Haushalt zu verringern? Formuliere Vorschläge zur Einsparung von Kosten für Heizung, Kraftstoff und Warmwasser.

Verringerung der  Maßnahmen

Heizkosten Stoßlüften , nachts Rol l läden sch l ießen, He izkörper

n icht zuste l len , Wartung der He izungsanlage, …

Kraftstoffkosten Nutzung öffent l icher Verkehrsmitte l , sparsame

Fahrweise, hoher Re i fendruck , ke in Bal last , …

WarmwasserkostenDuschen statt Baden, Einsatz von Solarkol lektoren,

Energ ierückgewinnung aus dem Abwasser …

3 Pro Jahr werden in Deutschland ca. 20 000 Mio. kWh für den Stand­by­Betrieb elektrischer Haushaltsgeräte benötigt. Die durchschnittliche Anschlussleistung dieser Geräte liege bei 20 W.a)  Wie viele Kraftwerke von je 1 000 MW Leistung könnten stillgelegt werden, wenn es den Stand­by­ Zustand nicht gäbe?

b)  Wie viele Geräte mit Stand­by­Betrieb sind im Durchschnitt pro Haushalt vorhanden, wenn es 30 Millionen deutsche Haushalte gibt?

4 Um Energie einzusparen, sollte man nur Elektrogeräte mit hohem Wirkungsgrad einsetzen.Unter dem Wirkungsgrad versteht man den Quotienten aus nutzbarer Energie und aufgewandter Energie:

g = E Nutz

__  E Aufwand

Ein Liter Wasser soll von 23 °C auf 55 °C erwärmt werden. Das Wasser muss dazu 92 400 J aufnehmen. Mit dem Wasserkocher (2 200 W) dauert der Vorgang 45 s. Berechne den Wirkungsgrad des Wasserkochers.

Gegeben: E Nutzen = 92 400 J; P = 2 200 W; t = 45 s

Gesucht: E Aufwand = 2 200 W ∙ 45 s = 99 000 Ws = 99 000 J

g = E Nutzen _____  E Aufwand = 92 400 J _____ 99 000 J = 0,93 = 93 %

P Haushalt = 2 283 100 000 W ________  30 000 000 = 76 W š 4 Geräte

P = E _ t = 20 ∙ 10 9 kWh ______ 8760 h = 2 283 100 kW, d. h . 2 Kraftwerke

DO01772285_K01_02.indd 43 16.12.2014 16:12:59

50 Radioaktivität und Materie

Atome und Atomkerne

1 Kreuze die richtigen Aussagen über Atome an.

Atome sind kleine unteilbare Körper aus einem einheitlichen Stoff.

Atome sind so klein, dass man ihren Aufbau nicht erforschen kann.

X Atome sind aus Elementarteilchen aufgebaut.

2 Beschrifte und ergänze.

Name Durchmesser Bausteine Eigenschaften

1Atomhül le 1 / 10 10 m Elektronen groß, leer,

negat iv ge laden

2Atomkern 1 – 6/ 10 15 m Protonen und

Neutronen„massiv“ , k le in , pos it iv ge laden

3 Kreuze die richtigen Aussagen an.

Die Atomhülle ist relativ leer und in ihr befinden sich die Neutronen.

Neutronen sind ungeladene Protonen.

X Atome sind relativ leer. Nur der Atomkern ist undurchdringlich.

4 Gib die Bedeutung der nachfolgenden Größen an und ergänze die Gleichung.

Massenzahl A : Zahl d . Protonen u . Neutronen im Atomkern

Kernladungszahl Z : Zahl d . Protonen im Atomkern (Ordnungszahl)

Neutronenzahl N : Zahl der Neutronen im Atomkern

Isotop: Atome mit gleichem Z , aber unterschiedlichem N

A = Z + N

5 Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die einzelnen Atombausteine. Vervollständige.

Name des Bausteins Masse in „Protoneneinheiten“ Ladung

Proton 1 + 1

Neutron 1,001 0

Elektron 0,0005 – 1

2

1

DO01772285_K01_02.indd 50 16.12.2014 16:13:00

Radioaktivität und Materie 53

Radioaktive Strahlung

1 Erkläre, weshalb man mit Hilfe radioaktiver Strahlung Gase ionisieren kann.

Radioakt ive Strahlung überträgt Energ ie . Be im Durchgang

radioakt iver Strahlung durch e in Gas wird auf d ie Gas­

te i lchen (Atome oder Molekü le) Energ ie übertragen. D ie

Energ iemenge re icht aus, um aus der Atomhül le E lektro­

nen zu entfernen . Dadurch entsteht aus dem neutra len

Atom/Molekü l e in ge ladenes Ion .

2 Dringt wie in der Abbildung ein a­Teilchen durch das Zählrohrfenster, dann …

… erhöht sich im Zählrohr kurzfristig der Luft­druck so stark, dass die Wandungen leicht ver­formt werden. Das führt zu einem kleinen Strom­stoß im äußeren Stromkreis.

X … werden im Innern des Zählrohrs Gasteilchen ionisiert. Die Ionen (und Elektronen) bewegen sich je nach Ladung zum inneren Drahtstift oder zum Gehäuse und es kommt zu einem Stromstoß.

… gelangt das a­Teilchen schließlich zum Gehäuse (negativ geladen). Seine Entladung führt zu einem Strom im äußeren Stromkreis.

3 Die geladenen Elektroskope 1 (positiv) und 2 (negativ) befinden sich in der Nähe eines Strahlers, der positive Ladungen aussendet. Kreuze jeweils den Zustand an, in dem sich das Elektroskop nach einiger Zeit befindet.

Zählrohrfenster

a-Teilchen

1

2

X

X

DO01772285_K01_02.indd 53 16.12.2014 16:13:00

60 Radioaktivität und Materie

Radioaktiver Zerfall

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t in h

m in g80

70

60

50

40

30

20

10

0

3 Das Poloniumisotop 218 84 Po hat eine Halbwertszeit von 3,1 min. Erläutere diese Aussage.

1 Man unterscheidet drei Strahlungsarten: a­, b  – ­ und c­Strahlung. Ordne die Bezeichnungen a­, b  – ­ und c­Strahlung drei der nachfolgenden Beschreibungen zu:

­Strahlung besteht aus langsamen Neutronen. ­Strahlung besteht aus Wasserstoffkernen.

a ­Strahlung besteht aus He­Kernen.  b   -  ­Strahlung besteht aus Elektronen.

c ­Strahlung besteht aus reiner Energiestrahlung.

2 a) Unter der Halbwertszeit eines Nuklids versteht man …

… den Zeitabschnitt, in dem die Stoffportion dauernd mit dem halben Anfangswert strahlt.

X … die Zeitspanne, in welcher die Hälfte einer vorgegebenen Stoffportion zerfällt.

… den Zeitraum, in welchem auch die zweite Hälfte vollends zerfällt.

b) Das Nuklid 64 29 Cu hat 12 h Halbwertszeit, 82

35 Br hat 36 h und 231 90 Th hat 25 h.

Zeichne für die drei Nuklide die Zerfallskurven. Gehe jeweils von 80 g aus.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t in h

m in g80

70

60

50

40

30

20

10

0

Cu Br Th

Die Aussage bedeutet , dass in e iner Ze itspanne von 3, 1 min

d ie Zahl der Kernzer fä l le des 218 84 Po jewe i ls auf d ie Häl fte

zurückgeht .

DO01772285_K01_02.indd 60 16.12.2014 16:13:01

64 Radioaktivität und Materie

Biologische Wirkungen und Strahlenschutz

1 Recherchiere die drei Größen, mit denen man Radioaktivität messen kann (Aktivität, Energiedosis, Äquiva­lenzdosis) und ergänze die nachfolgende Tabelle.

Aktivität Energiedosis Äquivalentdosis

Formelzeichen A D Dq

Gleichung   ð N __ ð t   ð E _ m D ∙ QEinheit 1 Becquerel (1 Bq) 1 Gray (1 Gy) 1 Sievert (1 Sv)

Bedeutung

Eigenschaft der Maß für die Berücksichtigt die

Quelle. Kurze Halb­ ionisierende unterschiedliche

wertszeit = große Wirkung biologische

Aktivität Wirkung

2 Ergänze die Übersicht.

Biologische  Strahlenwirkung

Beispiele

Somatische Schäden

verändertes Blutb i ld ,

Übe lke it , Erbrechen, Haarausfa l l ,

Hautschäden, B lutungen, Krebs

Genet ische

Schäden

Schädigung von Ke imze l len ,

Missb i ldungen der Nachkommen,

Erbkrankhe iten der Nachkommen

3 Kreuze an, welche der nachfolgenden Maßnahmen für den Strahlenschutz geeignet sind.

X Zum Schutz sollte man einen möglichst großen Abstand zu Strahlungsquelle halten.

Zur Abschirmung sollte man möglichst dünne Plastikfolien verwenden, damit man sich gut bewegen kann.

X Radioaktive Stoffe sollten nicht in den Körper gelangen.

a­Strahlung ist völlig ungefährlich, da sie nur eine sehr kurze Reichweite hat.

4 In der Strahlentherapie behandelt man Krebserkrankungen mit radioaktiver Strahlung. Beschreibe, wie man vorgeht und was man besonders beachten muss.

Gewebe wird so zerstört. Gesundes Gewebe sollte nicht

geschädigt werden Bestrahlung aus versch. Richtungen.

DO01772285_K01_02.indd 64 16.12.2014 16:13:01

Radioaktivität und Materie 67

Kernkraftwerke

1 Benenne die Teile des abgebildeten Kernkraftwerks:

A Reaktor E Dampferzeuger

B Rege lstab F Schutzbehälter

C Brennstab G Turb ine

D Moderator H Generator

2 Erläutere den Unterschied zwischen einer kontrollierten und einer unkontrollierten Kettenreaktion.

Bei der kontro l l ierten w ird d ie Spaltrate durch Neutronen­

absorpt ion auf e inem gewünschten Wert konstant gehal­

ten , be i der unkontro l l ierten n icht .

3 Erkläre, wie man mit Hilfe der Regelstäbe die Anzahl der Reaktionen im Reaktor steuern kann.

Die Rege lstäbe absorb ieren Neutronen und verr ingern

dadurch d ie Zahl der Kernspaltungen.

4 Erkläre den Nutzen des zweiten Wasserkreislaufes.

Er d ient der Abkühlung des Dampfs im Sekundärkre is lauf.

Gle ichze it ig w ird d ie Gefahr verr ingert , dass Radio­

akt iv ität nach außen in den Kühlwasserkre is lauf ge langt .

Kühlwasser-kreislauf

Reaktorwasserkreislauf(Primärkreislauf)

Dampf-Wasserkreislauf(Sekundärkreislauf)

315 °C

30 °C290 °C

D

E

BC

F

G H

A

DO01772285_K01_02.indd 67 16.12.2014 16:13:01

Kosmos und Forschung 73

Sonne und Jahreszeiten

1 Erkläre mit diesem Modellversuch die Entstehung von Tag und Nacht. Verwende dabei die folgenden Begriffe: Tagseite, Nachtseite, drehen, 24 Stunden, Achse

Im Modellversuch ist der Projektor die Sonne und der Globus die Erde.

Die Sonne be leuchtet d ie

Erde. Es entsteht e ine be-

leuchtete Tag- und e ine unbe leuchtete Nachtse ite. D ie

Erde dreht s ich in 24 Stunden e inmal um d ie e igene Achse.

An jedem Ort der Erde ist e inmal in 24 Stunden Tag und

Nacht .

2 Kreuze die richtigen Aussagen zur Entstehung der Jahreszeiten an.

X Die Jahreszeiten entstehen, weil die Erdachse schräg zur Erdbahn um die Sonne steht.

Die Jahreszeiten entstehen, weil sich die Erde um sich selbst dreht.

X Die Jahreszeiten entstehen, weil sich die Erde um die Sonne dreht.

Die Jahreszeiten entstehen, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne ist und im Winter weiter weg.

Im Sommer ist es wärmer, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne ist.

X Im Sommer ist es wämer, weil die Sonnenstrahlung steil auf die Erdoberfläche fällt.

X Im Winter ist es kälter, weil die Sonnenstrahlung flach auf die Erdoberfläche fällt.

In Position 1 ist es auf der Nordhalbkugel Winter.

X In Position 2 ist es auf der Nordhalbkugel Winter.

X In Position 1 ist es auf der Nordhalbkugel Sommer.

2

Sonne

21. März

21. September

1

Erdumlaufbahn

DO01772285_K03_04.indd 73 17.12.2014 15:29:24

74 Kosmos und Forschung

Die Sonnenuhr

1 Mache an einem wolkenfreien Sommertag draußen folgendes Experiment. Fülle einen Blumentopf mit Sand, lege eine runde Pappscheibe darauf und stecke einen Stab durch ihre Mitte. Nun beobachte einen Tag lang, wie der Schatten des Stabs auf der Scheibe wandert. Markiere seine Lage mit einem Stift zu jeder vollen Stunde. Kreuze an, welcher Satz das Wandern des Schat-tens am besten erklärt.

Die Sonne dreht sich um ihre eigene Achse.

Die Erde dreht sich um die Sonne.

Die Erdachse ist geneigt.

X Die Erde dreht sich um ihre eigene Achse.

2 a) Stellt auf dem Schulhof einen Stab (z. B. eine Stange aus dem Sportunterricht) auf. Beschreibt, wie sich die Schattenlänge über den Tag hinweg verändert.

Der Schatten ist morgens und abends länger, mittags ist

er am kürzesten.

b) Vervollständigt das folgende Bild mithilfe des angefangenen Lichtstrahls. Markiert die Schattenlänge.

c) Zeichnet einen weiteren Sonnenstand und die dazugehörige Schattenlänge ein.

3 Sonnenuhren haben Vorteile und Nachteile. Kreuze die richtigen Aussagen an.

X Eine Sonnenuhr kann schnell aufgebaut werden.

Eine Sonnenuhr benötigt viel Energie, wenn sie im Betrieb ist.

X Eine Sonnenuhr funktioniert nur, wenn die Sonne scheint.

Der Standort beeinflusst die Zeitangabe nicht.

Untergrund

Sonne

1

Schatten Stab

Untergrund

Sonne

1

Schatten 1Schatten 2

2

Schatten Stab

DO01772285_K03_04.indd 74 16.12.2014 16:13:23

Kosmos und Forschung 75

Vom Großen Wagen zum Nordstern

1 Suche zuerst den Großen Wagen. Die fünfmalige Verlängerung der „Hinterachse“ führt zum Nordstern.

Der Nordstern Polaris ist Teil des aus sieben Sternen bestehenden Hilfssternbilds Kleiner Wagen. Die Skizze zeigt nur seine drei hellsten Sterne: den Nordstern – die Spitze der Deich sel – und die beiden Sterne der „Hinterachse“. Sie werden „Hüter des Nordsterns“ genannt. Die vier nicht eingezeichneten Sterne sind licht-schwächer.

2 Beobachtungsauftrag: Suche in einer klaren Nacht den Großen Wagen und den Nordstern. Versuche die lichtschwächeren vier Sterne des Kleinen Wagens zu erkennen. Trage sie in die Skizze ein.

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76 Kosmos und Forschung

Messgerät zur Bestimmung des Breitengrades

Die Höhe des Nordsterns, in Grad gemessen, entspricht dem Breitengrad (nördlicher Breite), auf dem sich der Beob-achter befindet. Mit einem aus Peilvorrichtung, Winkelmes-ser und Lot gefertigten Messgerät kann daher der Breiten-grad bestimmt werden.

Material: Winkelmesser (oder Vorlage A), Pappe, Packpapier, Klebefilm, Bindfaden, kleine Mutter o. Ä. als Gewicht, Schere, Nadel, Stift

1 Übertrage den Umriss und die Skala des Winkelmessers (oder der Vorlage A) auf Pappe. Knicke die Pappe an der Grundlinie nach hinten; nimm hierfür ein Lineal zur Hilfe.Bohre mit der Nadel ein Loch und ziehe den Faden durch. Befestige das kleine Gewicht an dem Faden.Stelle ein Peilrohr her: Wickle einen Streifen Packpapier um einen möglichst dicken Stift. Befestige das Ganze mit Klebefilm so, dass die Röhre stabil ist.Klebe das Peilrohr an der Grundlinie fest.Dein Messgerät zur Bestimmung des Breitengrades ist fertig. Peile durch die Röhre den Nordstern an. Achte darauf, dass das Lot sich ungehindert bewegen kann. Du kannst den Breitengrad nun direkt ablesen.

9090

1010 0203040

50

6070

80

01020

30

40

50

6070

8090 Loch für Lot

Grundlinie

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Kosmos und Forschung 81

Himmelskörper

1 Die Abbildung zeigt einen Kometen.Kennzeichne Kern, Koma, Gasschweif und Staub-schweif sowie die Richtung der Sonne auf dem Foto.

2 Bezeichne die Himmelskörper auf den drei Fotos.

3 In der Tabelle sind zehn Sterne mit Angaben zu ihrer Oberflächentemperatur und Leuchtkraft auf-gelistet.

h 1 = 30 500 °C L 1 = 2 000 L Sonne

h 2 = 4 000 °C L 2 = 9 500 L Sonne

h 3 = 6 500 °C L 3 = 1,1 L Sonne

h 4 = 10 000 °C L 4 = 45 L Sonne

h 5 = 6 500 °C L 5 = 29 000 L Sonne

h 6 = 16 000 °C L 6 = 0,01 L Sonne

h 7 = 3 500 °C L 7 = 210 L Sonne

h 8 = 4 500 °C L 8 = 0,3 L Sonne

h 9 = 10 500 °C L 9 = 45 L Sonne

h 10 = 4 800 °C L 10 = 14 500 L Sonne

a) Trage die Angaben der einzelnen Sterne in das nebenstehende Hertzsprung-Russell-Diagramm ein.

b) Ordne die einzelnen Sterne einem Sterntyp zu.

Hauptreihenstern: 1 , 3 , 4 , 8 , 9

Rote Riesen: 2, 5 , 7 , 10

Weiße Zwerge: 6

Planet Meteor Galax ie

Leuchtkraft Leuchtkraft Leuchtkraf L in Einheiten der Sonne

Temperatur in °CTemperatur in °CT

10 000

100

1

0,01

Weiße Zeiße Zeiße Zwereiße Zwereiße Z gege

Rote RiesenRote RiesenRote Riesen

HauptreiheHauptreiheHauptreihe

35000 300050001000020000 2000

SonneSonneSonne

11112

55

66

7

888

10

Kern

Koma

Staubschwei f

Gasschwei f

Sonne

DO01772285_K03_04.indd 81 16.12.2014 16:14:04

Kosmos und Forschung 85

Licht als Welle

1 a) Eine Welle hat eine Amplitude von 2 cm, ihre Frequenz beträgt 10 Hz und ihre Wellenlänge 2 m. Stelle die Welle in einem Zeit-Auslenkung-Dia-gramm dar.

b) Benenne physikalische Größen (mit Formel-zeichen und Einheit), mit denen man Wellen beschreiben kann.

2 Licht fällt auf einen Doppelspalt (gezeichnet als Punkte). Die Linien stellen die Wellenfronten dar.

a) Ergänze die Lichtwellen, die von den Spalten aus gehen (Zirkel! ). Markiere die Bereiche, an denen sich Wellenberge kreuzen.

b) Begründe, warum man die Interferenz von Licht nicht mit dem Modell Lichstrahl erklären kann.

L ichtstrahlen s ind nur geo-

metr ische Gebi lde ohne

Wel lenstruktur.

c) Begründe, warum man die Interferenz von Licht nicht mit dem Teilchenmodell des Lichtes erklären kann.

Mit Te i lchen ergeben s ich zwar auch Intensitätsmuster,

aber d ie höchsten Intensitäten bef inden s ich h inter den

Spalten , das Muster ist anders (s iehe S. 84, B1) .

Auslenkung in cm

Zeit in s

Frequenz f in 1 /s oder Hz ;

Wel len länge l oder s in m;

Ampl itude s 0 oder s in m

Auslenkung in cm

Zeit in s

3

2

1

0

–1

–2

–3

0,50,1 0,2 0,3 0,4

DO01772285_K03_04.indd 85 17.12.2014 15:30:59

100 Wärmeleitung und System

Die Wärmemitführung

1 Das rechte Bild zeigt die Zentralheizung eines Hauses.

a) In dieser Heizungsanlage wird die Energie über Wärmeströ mungen transportiert. Zeichne die warmen Strömungen mit roter Farbe und die kalten Strömungen mit blauer Farbe ein.

b) Erkläre den Energietransport in der Zentralheizung. (Hinweis: Die Heizung würde auch ohne Pumpe funktio-nieren.)

Der Brenner ist d ie Wärme-

que l le und erwärmt das Was-

ser im Heizkre is lauf mit Aus-

g le ichsbehälter. Das warme

Wasser strömt durch d ie Rohre

nach oben in d ie He izkörper.

D ie Energ ie w ird h ier an den

Raum abgegeben. Das ka lte

Wasser strömt zurück zum

Brenner. E in Te i l der Energ ie

entweicht durch den Kamin .

2 Segelflugzeuge schaffen es ohne Motor an Höhe zu ge-winnen. Erkläre und begründe, wie sie das schaffen und warum sie im Sommer fliegen.

Im Sommer g ibt es warme Luft-

strömungen, d ie s ich nach oben

bewegen. Das F lugzeug lässt

s ich , w ie in e inem Aufzug, zusammen mit der Luft nach

oben transport ieren .

Wasser

Brenner

Pumpe

Schornstein

Wasser

Brenner

Pumpe

Schornstein

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102  Wärmeleitung und System

Die Wärmestrahlung

1  Halte eine Hand in drei unterschiedlichen Abständen vor eine Energiequelle (einen Heizstrahler oder eine Rotlichtlampe). Halte dabei in der anderen Hand ein Thermometer. Wähle die kleinste Entfernung gerade so aus, dass du mit der Hand die Hitze noch aushalten kannst. 

a)  Miss für jede Position den Abstand und die Lufttemperatur. Notiere die Werte in der Tabelle.

Messwert Position 1 Position 2 Position 3

Abstand in cm 10 20 30Temperatur in °C 43 34 29

b)  Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen.

Je größer der Abstand zur Energ ieque l le ist , desto n ied-

r iger s ind d ie Temperaturen , d ie man füh len und messen

kann.

2  a)  Beschrifte die folgenden sechs Planeten im Bild korrekt: Erde, Jupiter, Mars, Merkur, Saturn, Venus.

b)  Ordne die Oberflächentemperaturen in der Tabelle den folgenden fünf Planeten korrekt zu:  Erde, Jupiter, Mars, Saturn, Venus.

– 170 °C 482 °C – 51 °C bis 48 °C – 128 °C 22 °C bis – 168 °C

Saturn Venus Erde Jupiter Mars

c)  Begründe, warum die Oberflächentemperaturen vom Merkur zum Saturn hin abnehmen.

Die Temperaturen nehmen ab, da der Abstand zur Sonne

größer w ird .

Sonne

(Beispiel: die Werte gelten für eine Rotlichtlampe mit 150 W)

Sonne

Jupiter

Mars

Saturn

Erde

Venus

Merkur

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Wärmeleitung und System 103

Energietransport

Energie wird auf verschiedene Weise übertragen: Sie wird von Körpern abgestrahlt, von festen Körpern geleitet oder sie strömt mit Flüssigkeiten oder Gasen.

Wärmestrahlung

1 Umklebe drei Getränkedosen: eine mit Alufolie, eine mit weißem und eine mit schwarzem Karton.a) Miss die Temperatur in den Dosen.

b) Lasse die Glühlampe zehn Minuten leuchten. Miss die Temperatur erneut.

Erkläre die unterschiedlichen Temperaturen.

Die Alufo l ie ref lekt iert d ie Energ ie stark , d ie Dose erwärmt

s ich kaum. Die we iße Pappe ref lekt iert wen iger. D ie Dose

absorb iert mehr Energ ie . D ie schwarze Dose absorb iert d ie

Energ ie fast vo l lständig .

Wärmeleitung

2 Befestige in regelmäßigen Abständen Streichhölzer mit Wachs an einer Stativstange. Erhitze die Stange am freien Ende.a) Beschreibe deine Beobachtung.

Die Stre ichhö lzer fa l len von l inks der

Re ihe nach von der Stange.

b) Erkläre diese Beobachtung.

Energ ie w ird am l inken Stangenende aufgenommen und

nach rechts ge le itet . Dadurch schmi lzt das Wachs zuerst

l inks und das l inke Stre ichho lz fä l lt ab.

100 W

10 cm

10 cm

10 cm

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110 Wärmeleitung und System

Innere Energie

1 a) Beschreibe die Gemeinsamkeit der drei Abbil-dungen!

In a l len dre i Abb i ldungen w ird

d ie innere Energ ie durch

Re iben der Hände, Rühren

oder Bohren erhöht .

D ie Temperatur der Hand-

f lächen, des Te igs und des

Bohrers erhöht s ich .

b) In einem Föhn wird ebenfalls durch Reibung „Wärme erzeugt“. Erkläre, wie dies funktioniert!

Der Föhn ist e in Verbraucher in e inem e lektr ischen Strom-

kre is. Im e lektr ischen Stromkreis bewegen s ich Elektronen,

we lche s ich be i Bewegung an den Atomrümpfen „re iben“

und d ie innere Energ ie erhöhen.

2 Erkläre den Begriff „innere Energie“!

Al le Körper s ind aus k le insten Te i lchen aufgebaut. D ie Te i l -

chen s ind in ständiger Bewegung. Je höher d ie Temperatur

ist , desto stärker bewegen s ich d ie Te i lchen . D ie Bewegung

ist e in Maß für ihre innere Energ ie .

3 Vervollständige die Kreise, indem du die Bewegung der kleinsten Teilchen einzeichnest.

Temperatur nimmt zu, innere Energie nimmt zu

Feststoff Flüssigkeit

Gas

Temperatur nimmt zu, innere Energie nimmt zu

Feststoff Flüssigkeit

Gas

DO01772285_K03_04.indd 110 16.12.2014 16:14:09

Wärmeleitung und System 113

Interpretation:

Im Messbere ich s ind Ze it und Temperatur proport ional zu-

e inander, da s ich e ine Urspungsgerade erg ibt .

3 Ein Becherglas ist mit Wasser der Temperatur von 60 °C gefüllt. Es wird in ein Becherglas gestellt, welches mit Wasser der gleichen Menge und einer Temperatur 20 °C gefüllt ist. Beschreibe den Temperaturverlauf in beiden Bechergläsern und skizziere ein Zeit-Temperatur-Diagramm. Begründe deine Vorhersage.

Die Temperatur des wärmeren Was-

sers n immt ab, d ie des kä lteren

Wassers n immt zu , b is s ich d ie Tem-

peraturen angeg l ichen haben.

Innere Energie und Wärme

1 Ergänze.

Die innere Energie hat das Formelzeichen und die Einheit 1 Jou le ( 1 J) .

Die Wärme Q gibt an, wie viel innere Energ ie von einem Körper auf einen anderen

über tragen wird. Führt man einem Körper Wärme zu, so erhöht sich seine

innere Energie. Die innere Energie eines Körpers verringert sich, wenn er Wärme an seine Umgebung abgibt.

2 In einem Gefäß befindet sich 1 l Wasser. Ihm wird kontinuierlich Wärme zugeführt. In regelmäßigen Zeitabständen wird die Temperatur gemessen. Zeichne mit Hilfe der Messwertpaare das t-h-Diagramm. Interpretiere den Kurvenverlauf.

h in °C

t in s

h in °C

t in s

Zeit Temperatur

0 s 20,0 °C

30 s 25,3 °C

60 s 31,5 °C

90 s 37,2 °C

120 s 42,9 °C

150 s 48,6 °C

180 s 54,4 °C

210 s 60,1 °C

240 s 65,8 °C

270 s 71,6 °C

300 s 77,3 °C

Diagramm

h in °C

t in s

0 50 100 150 200 250 300

60

50

40

30

20

Glas 1

Glas 2

h in °C

t in s

60

40

20

0

E innere

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114  Wärmeleitung und System

Wärme und Wärmekapazität

1  Es werden verschiedene Mengen Wasser von 20 °C auf 30 °C erwärmt und die zugeführte Wärme bestimmt:

Masse m 0,5 kg 1,0 kg 1,5 kg 2,0 kg

Wärme Q 21 kJ 42 kJ 62 kJ 83 kJ

Gib einen möglichen Zusammenhang an. Begründe deine Aussage.

Die Quot ienten Q /m s ind etwa konstant. D ie zur Erwär-

mung er forder l iche Wärme Q ist proport ional zur Masse m

des Wassers.

2  Einem Gefäß mit Wasser wird Wärme zugeführt. Beschrifte die Abbildung und beschreibe den Vorgang.

3  Wasser hat eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität. Gib einige Auswirkungen in Natur und Technik an.

Die Temperatur von Wasser ändert s ich auch be i der Auf-

nahme oder Abgabe großer Energ iemengen verg le ichsweise

wen ig (Seek l ima, Kühlmitte l , He izmedium) .

4  Bestimme die Wärme, die man einem Aluminiumtopf (m = 700 g), der mit 5 l Wasser einer Temperatur von 15 °C gefüllt ist, zuführen muss, um das Wasser zum Sieden zu bringen.

Wasser

Gefäß

ðEzu

ðEUmgebung ðEWasser

ðEGefäß

Wasser

Gefäß

Die zugeführte Wärme Q = ð E zu

bewirkt n icht nur e ine Erwärmung

des Wassers, sondern es werden

auch das Glasgefäß und d ie Um-

gebung erwärmt.

Ges.: ð E zu = ð E zu, W + ð E zu, Al = c W ∙ m W ∙ ð T + c Al ∙ m Al ∙ ð T

ð E zu = 4,19 kJ ___ kg ∙ K ∙ 5 kg ∙ 85 K + 0,896 kJ ___ kg ∙ K ∙ 0,7 kg ∙ 85 K

ð E zu = Q = 1 780,8 kJ + 53,3 kJ = 1 834,1 kJ

(Verluste an die Umgebung unberücksichtigt)

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122 Wärmeleitung und System

Die Wärmedämmung

1 Materialien, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, werden dort eingesetzt, wo die Wärme mög lichst nicht nach außen dringen soll, z. B. bei einem Wohnhaus.

a) Beschreibe die bei dem dargestellten Hausbau ergriffenen Maßnahmen zu Wärmedämmung. Die folgenden Begriffe helfen dir:Dachsparren, Doppelverglasung, luftgefüllte Hohlräume, Mineralwolle

�  Zwischen den Dachsparren w ird Minera lwo l le e ingebaut.

�  An der Außenwand wird Minera lwo l le angebracht .

�  Die Fenster haben Doppe lverg lasung und luftgefü l lte

Hohlräume im Rahmen.

�  An den Innenwänden w ird Minera lwo l le angebracht .

2 Eine gute Wärmedämmung hilft in den folgenden Situationen. Notiere in der Tabelle deine Vorschläge und die verwendeten Dämmmaterialien, die den Kindern helfen.

Situation mein Vorschlag Dämmmaterialien

Jan möchte beim Eislaufen nicht frieren.

warme Jacke, mehrere dünne K le idungsstücke

Daunen, Luft , Kunstfasern

Fatma möchte, dass ihr Kakao heiß bleibt.

Thermoskanne, iso l ierter Becher Luft , Vakuum, Styropor

Lea möchte im Zeltlager nachts nicht frieren.

Schlafsack , mehrere dünne K le idungsstücke

Daunen, Luft , Kunstfasern

Toms Getränk soll im Sommer kalt bleiben.

Thermoskanne, iso l ierter Becher Luft , Vakuum, Styropor

1

34

2

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