Lernpfad Energie/Energieumwandlung und Wirkungsgrad und Licht und Schatten: Unterschied zwischen den Seiten

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=='''Reibung - ein "Energie-Leck"'''==
{{Kurzinfo-1|Idee}}
Würde man unser Beispiel ernst nehmen, müsste unser Skater nur rechts oben starten und könnte dann im Grunde stundenlang hin- und herfahren, ohne sich anzustrengen. Ständig würde potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt und umgekehrt. Es ist klar: in der Wirklichkeit funktioniert das so nicht. Aber warum? Ist unser "Glaubenssatz" von der Energieerhaltung etwa doch falsch?


{{Aufgaben|1=4.1: Reibung spielt doch eine Rolle!|2=
==Schatten==
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Schau Dir das folgende Youtube-Video an! Bearbeite danach das auf das Video folgende Quiz.
===Wie entsteht Schatten?===
<br>
 
<br>
{{Frage|Kann man über seinen eigenen Schatten springen?}}
{{#widget:YouTube|id=DDeDD-h8-gE}}
 
{{Versuch|:Eine Glühlampe beleuchtet einen undurchsichtigen Gegenstand. Mit einem Blatt Papier wird der Schattenraum ausgemessen.}}
 
 
[[Bild:Opt_003.gif|center]]
 
{{Merke|:Schatten entsteht an der lichtabgewandten Seite eines lichtundurchlässigen Körpers. Dort fehlt das Licht, das der Körper verschluckt.
}}
}}
<quiz display="simple">
{ Überprüfe Dein Wissen mit folgendem Quiz! Welche Aussagen sind richtig? (Das Bezugssystem wurde so gewählt, dass am tiefsten Punkt der Halfpipe die Lageenergie null beträgt.
| type ="()" }
| ja | nein
+- Die Flüssigkeit, welche verschüttet wurde, symbolisiert die entstandene Wärme.
-+ Die verschüttete Flüssigkeit ist verschwundene Energie.
-+ Lageenergie ist kinetische Energie.
+- Der Vorgang des Verschüttens der Flüssigkeit entspricht der Reibung.
-+ Auch bei Reibung wandelt sich die komplette Lageenergie in kinetische Energie um, wenn der Skater den tiefsten Punkt erreicht hat.
</quiz>


<quiz display="simple">
{{Versuch|:Zwei Leuchten werden so aufgestellt, das zwei Schatten entstehen. Die Schatten sollen zusammenlaufen.}}
{ Im Text im Video heißt es an einer Stelle: Die Energie, symbolisiert durch die verschüttete Flüssigkeit in dem Auffangbehälter, sei verloren. Bedeutet das:
 
| type ="()" }
| ja | nein
-+ Diese Energie ist weg. Die Gesamtenergie im System hat sich entsprechend reduziert.
+- Die Gesamtenergie ist erhalten, aber wir haben eine 3. Energieform, die zur Nutzung nicht mehr zur Verfügung steht.
</quiz>


{{Achtung|Vergiss nicht Deinen Screenshot für Dein Lerntagebuch!}}
[[Bild:Opt_004.gif|center]]


{{Aufgaben|1=4.2 Der Energieerhaltungssatz mit Reibung|2=
<br>


[[Bild:LE3 Halfpipe mit Buchstaben2.jpg|350px]]
{{Versuch|:Die Schattenbildung durch eine ausgedehnte Lichtquelle (Leuchtstoffröhre) wird gezeigt.}}


Der Energieerhaltungssatz gilt also noch immer. Allerdings kommt nun die Energieform der Wärme hinzu. Formuliere den Energieerhaltungssatz nun unter Berücksichtigung von Reibung in Deinem Lerntagebuch als Formel für die Punkte A, B und C. Wir nehmen an, dass alle Energie, die durch Reibung umgewandelt wird, an Ende zu einer Energieform beiträgt, die man Wärmeenergie E<sub>Wärme</sub> nennt.
'''Ergebnis:''' Die Schattenabstufung verschwindet.
 
Eine schattenfreie Ausleuchtung erreicht man durch Milchglas, Lichtbänder, und weiße Zimmerdecken.
 
{{Merke|:Hinter undurchsichtigen Körpern entsteht ein lichtfreier Raum, der Schattenraum. Auf einen Schirm, der in diesen Raum gebracht wird, entsteht eine Schattenfläche, der Schatten. Eine punktförmige Lichtquelle führt zu harten Schatten, mehrere zu Halb- und Kernschatten. Ausgedehnte Lichtquellen ergeben weiche Übergänge zwischen Licht und Schatten. Sie ermöglichen schattenfreie Beleuchtung.
}}
}}


== Der Wirkungsgrad -- ein Maß für effiziente Energieumwandlung ==


=== Ein Rechenbeispiel ===
===Schatten im Weltraum===
 
Da im Weltraum Lichtquellen und Schattenkörper vorhanden sind; entstehen Schattenräume und Schatten.
 
====Tag und Nacht====


Wenn sich unser Skater an den oberen Rand der Halfpipe stellt und sich losrollen lässt, so verfolgt er damit ein bestimmtes Ziel: Er will schneller werden. Durch die Reibung wird er allerdings nicht ganz so viel schneller, wie er es sich vielleicht wünscht. Wie stark die Reibung ist, hängt dabei von vielen Einflüssen ab; vor allem aber auch von den Lagern seines Skateboards und von der Oberfläche Halfpipe. Wir können davon ausgehen, dass durch Reibung letztlich Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das kann auch über Umwege passieren: ein Skateboard rollt nicht lautlos und auch der Schall trägt Energie weg. Diese wird dann irgendwo in der Umgebung wieder durch Reibung ebenfalls in Wärme umgewandelt. Die Wärmeenergie ist im Falle unseres Skaters ein unerwünschtes "Abfallprodukt".
Die sonnenabgewandte Seite der Erde ist der Schattenraum der Erde. Durch die Drehung der Erde um ihre Achse entsteht so Tag und Nacht.


{{Aufgaben|1=4.3 Aufteilung in "nützlich" und "nutzlos" beschreiben |2=
<br>
Wir betrachten nochmal den Fall, dass unser Skater aus einer Höhe von 2,5 Meter in der Halfpipe nach unten fährt.
[[Bild:LE3 halfpipe mit Buchstaben und Höhen2.jpg|350px]]<br>
Im Punkt B wird seine Geschwindigkeit gemessen; sie beträgt 5 Meter pro Sekunde.<br>
a) Nenne die Energieformen, in die die Lageenergie umgewandelt wird.<br>
b) Berechne, wie viel der ursprünglich als Lageenergie gespeicherten Energie bei Erreichen von Punkt B als zusätzliche Wärmeenergie vorliegt.<br>
:{{Tipp versteckt|1=
Trotz Reibung bleibt die Gesamtenergie, also die Summe von Lageenergie, Bewegungsenergie und in diesem Fall Wärmeenergie, erhalten. Die Lageenergie und die Bewegungsenergie kann man sowohl am Startpunkt als auch in Punkt B leicht errechnen. Die Differenz an Wärmeenergie <br><math>E_\text{Wärme,B}-E_\text{Wärme,Start}</math><br> kann man so leicht ausrechnen.


}}<br>
[[Bild:Opt_005.gif|center]]
c) Berechne das Verhältnis von Bewegungsenergie am Punkt B zur Lageenergie beim Start. <br>
 
d) Beschreibe, was kannst Du über die physikalische Einheit dieses Verhältnisses sagen kannst?
 
}}
====Mondphasen====
 
Auch der Mond hat eine von der Sonne beleuchtete und eine unbeleuchtete Seite.
Da wir beim Umlauf des Mondes um die Erde unterschiedliche Anteile der beleuchteten Mondhälfte sehen, entstehen für uns die Mondphasen.
 
 
[[Bild:Opt_006.gif|center]]
 
 
====Sonnenfinsternis====
 
Tritt der Mond bei seinem Umlauf um die Erde zwischen Erde und  Sonne, kann sein Schatten auf die Erde fallen. Im Bereich dieses Schattens ist die Sonne für die Betrachter ganz oder teilweise  durch den Mond verdeckt. Es entsteht so eine totale oder eine partielle Sonnenfinsternis.
 
 
[[Bild:Opt_007.gif|center]]
 
 
====Mondfinsternis====
 
Durchläuft dagegen der Mond ganz oder teilweise den Schattenraum der Erde, so wird er mehr oder weniger vollständig verdunkelt. Es entsteht eine totale oder partielle Mondfinsternis.
 
 
[[Bild:Opt_008.gif|center]]


=== Allgemeine Definition: Wirkungsgrad ===


Wenn bei einer Energieumwandlung eine Energieform in mehrere andere umgewandelt wird, von denen manche nützlich sind und andere eher als "Abfallprodukt" gelten, definiert man den so genannten Wirkungsgrad <math>\eta</math> (griech. "eta"). Dieser wird manchmal auch als "Effizienz" bezeichnet (das erklärt auch die Wahl des griechischen Buchstabens.


[[Bild:Wirkungsgrad-Bild2.jpg|400px]]
;{{wpde|Mond|Monddaten}}:
:Mittlere Entfernung Mond- Erde: 384.405 km.
:Mondradius: 1738 km  (0,272 mal Erdradius).
:Mondmasse: 1/81 tel der Erdemasse (81 Monde haben die gleiche Masse wie die Erde).
:Wegen seiner geringen Masse kann der Mond keine Atmosphäre halten. Der Mond leuchtet nicht selber, er reflektiert nur das Licht der Sonne.
:Mondumlauf um die Erde:  27,3 Tage. In der gleichen Zeit rotiert er einmal um seine eigene Achse. Deshalb ist die Rückseite des Mondes nie zu sehen. Infolge der Atmosphärerosigkeit und der langsamen Umdrehung gibt es auf dem Mond starke Temperaturunterschiede.
:Nachtgebiet: minus 160 °C, Taggebiet plus 130 °C.




<math>
==Weblinks==
\eta = \frac{E_\text{Nutz}}{E_\text{Aufwand}}
*[http://www.math-help.de/physik/rsvph_00.htm#abs5 Einige PDF-Dateien zum Thema]
</math>
<br><br>


Im Falle unseres Skaters entspricht die aufgewendete Energie gerade der Lageenergie am Anfang, die "Nutz-Energie" der Bewegungsenergie im Punkt B. Bei Aufgabe c) hast Du also bereits den Wirkungsgrad ausgerechnet. Und wahrscheinlich erkannt, dass sich die Einheiten wegkürzen, dass der Wirkungsgrad also eine der wenigen Größen in der Physik ist, die tatsächlich keine Maßeinheit haben.
==Unterrichtsmaterialien==
[http://www.buhv.de/schule/Bausteine-Grundschule/Licht-und-Schatten-(3.-4.-Klasse).html Licht und Schatten (3.+4. Klasse)], Bausteine Grundschule, 05/2007, [[Bergmoser_und_Höller_Verlag|Bergmoser + Höller Verlag AG]], ISSN 0934-3814


== Wirkungsgrad im Alltag ==
== Siehe auch ==
{{Aufgaben|1=4.4 Wirkungsgrad von Leuchtmitteln|2=
* [[Optik]]
<br>
* [[Physik]]
[[Datei:New torch bulb.jpg|miniatur|LED- und Glühlampe]]
Eine 12W-Glühlampe wandelt innerhalb einer Sekunde 12 Joule elektrischer Energie in Lichtenergie um. Naja, jedenfalls teilweise. Denn der typische Wert einer Glühlampe liegt bei etwa 5 Prozent. <br>
a) Stelle eine Vermutung an, welche Energieform außer elektrischer Energie und Licht bei Lampen eine Rolle spielt?<br>
b) Berechne, wie viel Energie in einer Sekunde wirklich in Form von Licht abgegeben wird.<br>
c) Berechne, wie viel Energie man bei einer LED-Lampe in Form von elektrischer Energie pro Sekunde zuführen müsste, um die gleiche Menge an Licht zu erreichen. Eine kleine LED-Lampe hat einen Wirkungsgrad von etwa 15%.
}}


{{Aufgaben|1=4.5 Elektroauto und Diesel-Auto|2=
Elektroautos fahren ohne Abgase. Naja, wenigstens kommen keine aus ihrem Auspuff. Natürlich muss aber die Energie für ein Elektroauto irgendwo herkommen. Im Idealfall aus erneuerbaren Energien wie Wind- oder Sonnenenergie.
Nehmen wir aber einmal an, die Energie zum Laden käme aus einem Ölkraftwerk (Wirkungsgrad: ca. 45%). Mit dem Strom würde ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen werden, der dann die Energie später an den Elektromotor des Fahrzeugs abgibt. Der Akku wärmt sich beim Laden und Entladen auf und hat dabei einen Wirkungsgrad von nur 90%. Gute Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von ca. 95%.
Ein Dieselmotor in einem modernen Auto hat einen Wirkungsgrad von ca. 40%.
Vergleiche die beiden Fahrzeugtypen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades vom Brennstoff zur Fortbewegung.
}}


{{Lernpfad Energie}}
[[Kategorie:Unterrichtsreihe Optik]]

Version vom 15. April 2009, 13:42 Uhr

Vorlage:Kurzinfo-1

Schatten

Wie entsteht Schatten?

Frage
Kann man über seinen eigenen Schatten springen?




Versuch: :Eine Glühlampe beleuchtet einen undurchsichtigen Gegenstand. Mit einem Blatt Papier wird der Schattenraum ausgemessen.

{{{2}}}



Opt 003.gif


Merke
Schatten entsteht an der lichtabgewandten Seite eines lichtundurchlässigen Körpers. Dort fehlt das Licht, das der Körper verschluckt.



Versuch: :Zwei Leuchten werden so aufgestellt, das zwei Schatten entstehen. Die Schatten sollen zusammenlaufen.

{{{2}}}



Opt 004.gif



Versuch: :Die Schattenbildung durch eine ausgedehnte Lichtquelle (Leuchtstoffröhre) wird gezeigt.

{{{2}}}


Ergebnis: Die Schattenabstufung verschwindet.

Eine schattenfreie Ausleuchtung erreicht man durch Milchglas, Lichtbänder, und weiße Zimmerdecken.


Merke
Hinter undurchsichtigen Körpern entsteht ein lichtfreier Raum, der Schattenraum. Auf einen Schirm, der in diesen Raum gebracht wird, entsteht eine Schattenfläche, der Schatten. Eine punktförmige Lichtquelle führt zu harten Schatten, mehrere zu Halb- und Kernschatten. Ausgedehnte Lichtquellen ergeben weiche Übergänge zwischen Licht und Schatten. Sie ermöglichen schattenfreie Beleuchtung.


Schatten im Weltraum

Da im Weltraum Lichtquellen und Schattenkörper vorhanden sind; entstehen Schattenräume und Schatten.

Tag und Nacht

Die sonnenabgewandte Seite der Erde ist der Schattenraum der Erde. Durch die Drehung der Erde um ihre Achse entsteht so Tag und Nacht.


Opt 005.gif


Mondphasen

Auch der Mond hat eine von der Sonne beleuchtete und eine unbeleuchtete Seite. Da wir beim Umlauf des Mondes um die Erde unterschiedliche Anteile der beleuchteten Mondhälfte sehen, entstehen für uns die Mondphasen.


Opt 006.gif


Sonnenfinsternis

Tritt der Mond bei seinem Umlauf um die Erde zwischen Erde und Sonne, kann sein Schatten auf die Erde fallen. Im Bereich dieses Schattens ist die Sonne für die Betrachter ganz oder teilweise durch den Mond verdeckt. Es entsteht so eine totale oder eine partielle Sonnenfinsternis.


Opt 007.gif


Mondfinsternis

Durchläuft dagegen der Mond ganz oder teilweise den Schattenraum der Erde, so wird er mehr oder weniger vollständig verdunkelt. Es entsteht eine totale oder partielle Mondfinsternis.


Opt 008.gif


MonddatenWikipedia-logo.png
Mittlere Entfernung Mond- Erde: 384.405 km.
Mondradius: 1738 km (0,272 mal Erdradius).
Mondmasse: 1/81 tel der Erdemasse (81 Monde haben die gleiche Masse wie die Erde).
Wegen seiner geringen Masse kann der Mond keine Atmosphäre halten. Der Mond leuchtet nicht selber, er reflektiert nur das Licht der Sonne.
Mondumlauf um die Erde: 27,3 Tage. In der gleichen Zeit rotiert er einmal um seine eigene Achse. Deshalb ist die Rückseite des Mondes nie zu sehen. Infolge der Atmosphärerosigkeit und der langsamen Umdrehung gibt es auf dem Mond starke Temperaturunterschiede.
Nachtgebiet: minus 160 °C, Taggebiet plus 130 °C.


Weblinks

Unterrichtsmaterialien

Licht und Schatten (3.+4. Klasse), Bausteine Grundschule, 05/2007, Bergmoser + Höller Verlag AG, ISSN 0934-3814

Siehe auch

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