Impuls Physik 3
Impuls Physik 3, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 220368 Impuls Physik 3, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 220369 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 7. Februar 2025, GZ 2023-0.753.889, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 3. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) und für die 3. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Das Schulbuch verwendet Ideen für Unterrichtskonzeptionen (Text und Abbildungen) aus diesen Quellen: Abschnitt 1 (Magnetismus – Eisen-Magnet-Modell): A. Rachel (2012). Auswirkungen instruktionaler Hilfen bei der Einführung des (Ferro-)Magnetismus. Eine Vergleichsstudie in der Primar- und Sekundarstufe. Berlin: Logos. A. Rachel, H. Wiesner, E. Heran-Dörr und Chr. Waltner, (2009). Was tun Physiker? Das „Eisen-Magnet-Modell“ im Anfangsunterricht als Beispiel für die Entwicklung und Anwendung eines „gedanklichen Modells“. Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 58 (8), S. 9–15. Abschnitte 9-11 (Energie): H. Schecker, Th. Wilhelm, M. Hopf & R. Duit (Hrsg., 2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum. Th. Wilhelm, H. Schecker & M. Hopf (Hrsg., 2021). Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum. Abschnitte 2-4 (Elektrizitätslehre – Elektronengas-Modell): J.-P. Burde et al.: Eine Einführung in die Elektrizitätslehre mit Potenzial. https://www.einfache-elehre.de/epo.php (Abgerufen am 14. 11. 2022) Abschnitte 6-8 (Kinematik und Mechanik – „Münchener Unterrichtskonzeption“): C. Waltner, V. Tobias, M. Hopf, T. Wilhelm, H. Wiesner: Einführung in die Mechanik. http://www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm (Abgerufen am 14. 11. 2022) H. Schwarze, H. Wiesner, T. Wilhelm, C. Waltner, V. Tobias, A. Rachel, M. Hopf (Hg.) (2016): Kraft und Geschwindigkeitsänderung. Neuer fachdidaktischer Zugang zur Mechanik. Hallbergmoos: Aulis Verlag. H. Schwarze, T. Wilhelm, H. Wiesner, M. Hopf, A. Rachel (Hg.) (2013): Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik. Hallbergmoos: Aulis Verlag Der Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der hinteren Umschlaginnenseite zu finden. 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2025 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Umschlagbilder: shipshit / Getty Images - iStockphoto; Klaus Tiedge / Getty Images Redaktion: Philipp Krammer, Wien Herstellung: Silvia Bliem, Wien; Oleksandra Toropenko, Wien Umschlaggestaltung und Layout: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Satz: PER Medien+Marketing GmbH, Braunschweig Druck: hs Druck GmbH, Hohenzell ISBN 978-3-209-12340-4 (Impuls Physik SB 3 + E-Book) ISBN 978-3-209-12876-8 (Impuls Physik SB 3 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Bibiane Blauensteiner Verena Margl Andrea Micko Impuls Physik 3 Hol dir die Quiz-App zum Schulbuch im App-Store (iOS) oder Google Play-Store (Android)! Wähle in der App dein Buch aus, gib den Gratis-Code imph3 ein und los geht’s! www.esquirrel.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Wie arbeite ich mit diesem Buch? Geräte und Gefahren 5 Forschen – Finden – Ausprobieren 5 55 54 Autofrachter brennt – Sorge vor Umweltkatastrophe So titelten einige Zeitungen und Fernsehsender am 26.7.2023. In der Nacht zuvor kam es am Frachtschiff „Fremantle Highway“, kurz vor der niederländischen Küste, zu einem Fahrzeugbrand. Der Frachter hatte nämlich über 3 000 Autos geladen. Ca. 500 davon sollen Elektroautos gewesen sein. Obwohl Rettungskräfte und Löschfahrzeuge sofort zum Unglücksort eilten, konnte das Feuer erst nach einer Woche gelöscht und das Schiff sicher an einen Hafen in den Niederlanden geschleppt werden. Die Umweltkatastrophe konnte abgewendet werden. Recherchiere! Tipp: Verwende unterschiedliche Quellen. Eine verlässliche Quelle liefert wissenschaftliche Argumente und belegt diese mit anderen Quellen. Welche Auswirkung hätte dieser Unfall auf die Umwelt haben können, wenn das Schiff gesunken wäre? Wenn Lithium-Ionen-Akkus zu brennen beginnen, ist besondere Vorsicht geboten. Warum ist das so? Was ist beim Löschen eines brennenden Akkus zu beachten? Wie solltest du handeln, wenn dein Elektroauto in Brand gerät? Brennen Elektroautos öfter oder leichter als Autos mit Verbrennungsmotoren? Recherchiere zu diesem Thema. Lies gefundene Artikel kritisch. Formuliere deine persönliche Meinung über die Gefährlichkeit von Elektroautos. Diskutiert über das Thema in der Gruppe. Diskussionsleitung Du achtest darauf, dass deine Gruppenmitglieder sich gegenseitig aussprechen lassen, einander zuhören, sich an Gesprächsregeln halten und höflich bleiben. Sollte das Gespräch nicht in Gang kommen, kannst du den einzelnen Mitgliedern auch Fragen stellen. Rollenspiel: Mutprobe Trainhopping? Bei einem Rollenspiel versetzt du dich in die Lage eines anderen Menschen und versuchst, aus dessen Sicht ein Problem zu besprechen und Argumente zu finden. 1. Bildet eine Gruppe aus sechs Personen und verteilt die Rollen unter euch. 2. Lies deine Rolle aufmerksam und allein durch. 3. Sammle Argumente, die zu deiner Rolle passen und deinen Standpunkt unterstreichen. 4. Komm zurück in die Gruppe und startet die Gruppendiskussion. Die Personen: Martin Vorsicht besorgter Vater, 45 Jahre Du hast deinen Sohn bei so einer dummen Aktion verloren. Nur um Likes zu bekommen hat er sich dieser Gefahr ausgesetzt und mit dem Leben bezahlt. Es kann so schnell gehen. Du möchtest weitere Jugendliche unbedingt vom Trainhopping abhalten. Silvija Schnell Polizistin, 34 Jahre Immer wieder erwischst du Jugendliche, die auf Bahngelände eindringen und versuchen auf den Zug zu klettern. Du beobachtest diese Situationen mit Sorge, denn immerhin kann sehr viel passieren. Von einer einfachen Anzeige, über eine Jugendstrafe, bis hin zum Tod. Du findest diese „Mutprobe“ gefährlich und unverantwortlich. Paul Schüler, 14 Jahre Du selbst würdest nie auf einen Zug steigen, das findest du zu gefährlich. Aber Jakob unterstützt du dabei. Immerhin hilfst du ihm beim Pflegen seines Action-Accounts. Er soll ja einmal groß rauskommen. Jessica Freundin von Jakob, 15 Jahre Das Hobby deines Freundes kannst du überhaupt nicht verstehen. Er setzt sich immer wieder größten Gefahren aus. Weil er damit einmal berühmt werden will, eifert er den bekanntesten Starts nach und postet Mutproben in seinem Social-Media-Account. Du findest, dass das alles keine Zukunft hat und er sich vernünftigen Dingen zuwenden sollte. Immerhin möchtest du ihn noch länger als Freund haben und ihn nicht verlieren. Jakob Schüler, 15 Jahre Du bist leidenschaftlicher Trainhopper. Was soll denn schon passieren? In den sozialen Medien sieht man immer wieder Jugendliche, die auf Zügen tanzen, springen und „coole Moves“ zeigen. Der Zug selbst leitet ja gar keinen elektrischen Strom und die Leitungen sind sowieso zu weit weg. Meine Argumente: Erarbeitungs-Doppelseite 3 Widerstände und Schaltungen 3 Digitales Zusatzmaterial g2gi7c 27 26 Der elektrische Widerstand Widerstände und Schaltungen Im Skatepark meint Zoltan: „Schon komisch, das Licht geht immer dann an, wenn es zu dämmern beginnt. Ich würde das nicht schaffen, die Lampen so genau aufzudrehen.“ „Ist das dein Ernst?“, meint Samir, „Das geht doch ganz von allein!“ Wie das funktioniert und was das mit dem elektrischen Widerstand im Stromkreis zu tun hat, erfährst du in diesem Kapitel. Leiter und Nichtleiter Jedes Material hat einen gewissen elektrischen Widerstand, der den elektrischen Strom bremst. Leiter haben einen besonderen Atomaufbau: Sie bestehen einerseits aus unbeweglichen Atomrümpfen, das sind die Atomkerne und die an sie gebundenen Elektronen. Andererseits bestehen sie aus frei beweglichen Elektronen (das Elektronengas). Sie sind im gesamten elektrischen Stromkreis gleichmäßig verteilt. Bei guten Leitern (zB Kupfer) sind die Atomrümpfe so angeordnet, dass die Elektronen nur selten mit ihnen zusammenstoßen. Sie haben einen kleinen elektrischen Widerstand (B1). Sammelt gemeinsam Beispiele, bei denen es wichtig ist, dass elektrischer Strom besonders gut geleitet wird. Bei Leitern mit einem großen elektrischen Widerstand (zB Wolfram) sind die Atomrümpfe unregelmäßig angeordnet. Die strömenden Elektronen stoßen oft mit den Atomrümpfen zusammen (B2). Dadurch erhöht sich auch die Temperatur des Leiters. Bei Nichtleitern (zB Kunststoff) sind alle Elektronen fest an die Atomrümpfe gebunden. Sie haben einen so großen elektrischen Widerstand, dass durch sie kein elektrischer Strom fließen kann (B3). Nichtleiter werden auch Isolatoren genannt. Wo kommen Isolatoren zum Einsatz? Besprecht in Kleingruppen, wo es besonders wichtig ist, dass elektrischer Strom nicht fließen kann. ï ï Baue einen einfachen Stromkreis mit der Batterie und dem Lämpchen. Baue zwischen Batterie und Lämpchen aber 2 Kabel ein (siehe Bild). Schließe nun an die beiden Kabel verschiedene Gegenstände an. Welche Gegenstände bringen das Lämpchen zum Leuchten? Wie hell leuchtet das Lämpchen? Notiere deine Ergebnisse und stelle sie übersichtlich (zB in einer Tabelle) dar. V1 Welche Materialien leiten den elektrischen Strom? Materialien Batterie (max. 6 V) Lämpchen 3 Kabel unterschiedliche Gegenstände (Schere, Radiergummi, Füllfeder, Büroklammer, …) Ob und wie gut ein Material den elektrischen Strom leitet, hängt von seiner Atomstruktur ab. Es gibt gute Leiter, Leiter mit großem Widerstand und Nichtleiter. Wie wirken Widerstände im elektrischen Stromkreis? Wie du bereits gelernt hast, hat jeder Leiter und jedes elektrische Bauteil einen bestimmten elektrischen Widerstand, der die Elektronenströmung beeinflusst. In elektrischen Stromkreisen setzt man aber auch gezielt Widerstände ein, um die Intensität der Elektronenströmung (die elektrische Stromstärke) zu beeinflussen. Das Maß für diese Behinderung der Elektronenströmung ist der Widerstandswert R. Er wird in Ohm(Ω) angegeben. Ein Widerstandswert von 1 Ω bedeutet, dass 1V Spannung notwendig ist, um die Stromstärke von 1A durch den Widerstand zu verursachen. Je nach Funktion unterscheidet man verschiedene Arten von Widerständen: Festwiderstände (B4) werden in elektronischen Geräten verwendet, um sie vor zu großer Stromstärke zu schützen. Veränderbare Widerstände haben keinen festen Widerstandswert. Die Größe ihres Widerstandswerts ist durch einen bestimmten Einfluss abhängig. Sie können mechanisch durch Drehen oder Schieben verändert werden (B5) oder sie reagieren auf äußere Einflüsse. Lichtempfindliche Widerstände zB reagieren auf Lichtverhältnisse. Man verwendet sie bei Dämmerungsschaltern, um bei einsetzender Dämmerung eine Beleuchtung zu aktivieren. Auch in der Tontechnik werden veränderbare Widerstände eingesetzt. Recherchiere im Internet, wobei. Der Widerstandswert R gibt an, wie stark die Elektronenströmung im elektrischen Stromkreis behindert wird. Er wird in Ohm (Ω) angegeben. Bei konstanter Spannung U gilt: Je größer der Widerstandswert R, desto kleiner die Stromstärke I. ï Spannung, Stromstärke und Widerstand im elektrischen Stromkreis hängen auf bestimmte Weise zusammen. Untersucht den Zusammenhang mit diesem Versuch. Baut den Versuch wie im Bild dargestellt auf. Stellt die Spannungsquelle zu Beginn auf 0 Volt. Führt dann mehrere Versuchsreihen durch. 1. Versuchsreihe: Lasst die Länge des Drahtes immer gleich, verändert aber die Spannung. 2. Versuchsreihe: Lasst die Spannung konstant, verändert aber die Länge des Drahtes. Notiert bei jedem Versuch die Spannung, die Stromstärke und die Länge des Drahtes. Stellt die Daten so dar, dass ihr sie gut vergleichen könnt (zB in einer Tabelle und/oder einem Diagramm).Vergleicht und überlegt gemeinsam, wie die Größen zusammenhängen. Zum Beispiel: Wie verändert sich die Stromstärke, wenn sich die Länge des Drahtes verändert? 5 V2 Zusammenhänge im elektrischen Stromkreis untersuchen B Materialien Konstantandraht (ca. 1 m) einstellbare Spannungsquelle Amperemeter Verbindungskabel Tipp: Der Konstantandraht hat einen großen Widerstand, der von seiner Länge abhängt. Starte mit einer eingespannten Länge von 1 m. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + B1 In guten Leitern stoßen die Elektronen selten auf Atomrümpfe. + + + + + + + + + + + + + + + + B2 In Leitern mit großem Widerstand stoßen die Elektronen oft auf Atomrümpfe. + + + + + + + + + + + + B3 Bei Nichtleitern sind die Elektronen fest mit den Atomrümpfen verbunden. B4 Festwiderstände in elektrischen Schaltungen: Die Farbringe geben Auskunft über die Stärke des Wiederstandes. B5 Diese veränderbaren Widerstände werden durch Drehen reguliert. Übungs-Doppelseite Forschen, Finden, Ausprobieren Auf diesen Seiten kannst du dich noch weiter in das Thema vertiefen. Das kann ich 3 Widerstände und Schaltungen 3 29 28 1 Wie unterscheiden sich gute Leiter und Leiter mit großem Widerstand im Atomaufbau? Wie unterscheiden sich Nichtleiter von Leitern in ihrem Atomaufbau? 2 Wo kannst du in deinem Alltag Leiter und Nichtleiter finden? Nenne Beispiele. 3 Größen im elektrischen Stromkreis: Male, was zusammengehört, in der gleichen Farbe an. elektrische Spannung I elektrischer Druckunterschied Ohm elektrische Stromstärke U bremst die Elektronenströmung Ampere Widerstandswert R Intensität der Elektronenströmung Volt 4 Was gilt im elektrischen Stromkreis? Ergänze. Bei konstanter Spannung ist die Stromstärke umso kleiner, umso der Widerstandswert ist. Wird die Spannung bei konstantem Widerstandswert erhöht, erhöht sich auch die . Die Einheit des Widerstandswerts ist 1 ( ). Wie hängt der Widerstand mit den Eigenschaften des Leiters zusammen? Überlege dir zuerst: Welche Eigenschaft möchtest du untersuchen? Das kann zB immer das gleiche Material, aber immer eine unterschiedliche Dicke des Leiters sein. Du kannst auch unterschiedliche Leiterlängen oder unterschiedliche Materialien testen. Stelle zuerst eine Vermutung auf. Führe dann den Versuch durch und erstelle dabei ein Protokoll. V3 Den elektrischen Widerstand untersuchen Materialien Lämpchen Kabel und Krokoklemmen 4,5-V Batterie verschiedene Leiter, die sich in einer Eigenschaft unterscheiden Meine Skizze: Welcher Zusammenhang besteht zwischen Widerstandswert und Stromstärke? Baue einen elektrischen Stromkreis nach dem dargestellten Schaltplan. Miss die Stromstärke mit Hilfe des Amperemeters und notiere sie. Ersetze den Widerstand durch verschiedene andere Widerstände. Die Batterie bleibt dabei gleich. Was verändert sich? Notiere die gemessenen Werte in der Tabelle. Begründe den Zusammenhang mit deinem Wissen von den Seiten 26 und 27. + – Widerstand A Lämpchen Amperemeter V4 Verschiedene Festwiderstände testen Materialien Lämpchen Kabel verschiedene Festwiderstände 4,5 V-Batterie Amperemeter Spannung U Widerstandswert R Stromstärke I 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V Notizen: Der elektrische Widerstand 5 Im Elektronengas-Modell des elektrischen Stroms stellt man sich die frei beweglichen Elektronen als ein Gas vor, das sich durch den Leiter bewegt. Erinnere dich an den Versuch V5 von Seite 22. Dort hast du verschiedene Widerstände in Luftströmungen getestet und untersucht, wie schnell die Luft entweicht. Die Grundgrößen im Stromkreis sind U, R und I. Welchen Größen entsprechen sie in deinem Versuch zur Luftströmung? Marlon meint: „Die Luftströmung ist aber kein Stromkreis, da sie nicht im Kreis läuft.“ Hat er damit Recht? Wo liegen die Nachteile beim Vergleich des elektrischen Stroms mit einem Gas? Wie hängt der Widerstand einer Bleistiftmine mit ihrer Länge zusammen? Baue den Versuch wie im Bild dargestellt auf. Schließe den Stromkreis, indem du mit dem Ende des Drahts das Ende der Bleistiftmine berührst. Bewege den Draht entlang der Bleistiftmine. Achte auf die Glühbirne: Was kannst du beobachten? Welchen Zusammenhang kannst du daher zwischen der Länge der Mine und dem Widerstand feststellen? Vervollständige den Satz: Je näher das Drahtende der Büroklammer kommt, desto … V5 Widerstand in der Bleistiftmine Materialien Glühbirne 3 Drahtstücke 4,5 V Batterie Bleistiftmine Büroklammer Auf diesen Seiten lernst du ein neues Thema kennen. Hier findest du Wissen zum Thema, Aufgaben zur Erarbeitung und Versuche. Liebe Schülerin, lieber Schüler, auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie „Impuls Physik“ aufgebaut ist. Das Schulbuch hat elf Abschnitte. Jeder Abschnitt besteht aus 2 Kapiteln mit je einer ErarbeitungsDoppelseite und einer Übungs-Doppelseite. Am Ende jedes Abschnitts kannst du auf einer Doppelseite selbst erforschen, Spiele spielen, Versuche durchführen und noch viel mehr. „Impuls Physik“ hat elf Abschnitte, die jeweils aus 10 Seiten bestehen: (Ausnahme: Abschnitt 11 besteht aus 6 Seiten.) 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Forschen, Finden, Ausprobieren Du findest hier Comics, Rollenspiele, Forschungsaufgaben, Bauanleitungen und vieles mehr. Probiere es aus! Hier kannst du deine Kompetenzen mit Aufgaben und Versuchen festigen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Viel Spaß und Erfolg bei der Arbeit mit „Impuls Physik“! So findest du dich in Impuls Physik zurecht In der Infobox erfährst du interessante Zusatzinformationen. Die Merkkästen zeigen dir die wichtigsten Inhalte auf einen Blick. Diese Impuls-Aufgaben sollt ihr gemeinsam besprechen. Diesen Versuch kannst du alleine oder in der Gruppe durchführen. Diesen Versuch sollst du zu zweit oder in der Gruppe durchführen. Diesen Versuch soll deine Lehrerin oder dein Lehrer durchführen. ï B Impuls Physik-Codes Hier findest du Verweise auf kostenloses digitales Zusatzmaterial. In „Impuls Physik“ eingedruckter Online-Code. Gehe auf www.oebv.at, … gib den Online-Code im Suchfeld links oben ein … und lade Materialien zu „Impuls Physik“ kostenlos herunter. Digitales Zusatzmaterial 4fu6ma Die Aufgaben auf einen Blick Die Aufgaben auf den Übungs-Doppelseiten sind mit einem dreieckigen Zeichen markiert. Damit weißt du auf einen Blick, um welche Aufgabenart es sich handelt. Wenn du die Aufgaben löst, kannst du selbst überprüfen, was du gut beherrschst und wo du dir noch schwertust. Aufgaben mit diesem Zeichen helfen dir, Fachwissen zu festigen und Grundfertigkeiten zu erlernen. Bei diesen Aufgaben kannst du dein erworbenes Fachwissen und deine erlernten Grundfertigkeiten anwenden. Diese Aufgaben fordern dich auf, selbstständige Lösungswege zu finden, etwas zu beurteilen oder es kann notwendig sein, dass du zusätzliche Informationen benötigst, zB aus dem Internet oder aus Nachschlagewerken. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 Inhalt Magnetismus 6 Eine unsichtbare Kraft 6 Die Entstehung von Magnetismus 10 Forschen – Finden – Ausprobieren 14 Elektrischer Strom 16 Der elektrische Druckunterschied 16 Der elektrische Stromkreis 20 Forschen – Finden – Ausprobieren 24 Widerstände und Schaltungen 26 Der elektrische Widerstand 26 Elektrische Schaltungen 30 Forschen – Finden – Ausprobieren 34 Elektromotor und Generator 36 Magnetismus nach Bedarf 36 Spannung aus dem Magnetfeld 40 Forschen – Finden – Ausprobieren 44 Geräte und Gefahren 46 Moderne elektronische Geräte 46 Sicherer Umgang mit elektrischem Strom 50 Forschen – Finden – Ausprobieren 54 Alles in Bewegung 56 Tempo und Geschwindigkeit 56 Wie ändert sich die Bewegung? 60 Forschen – Finden – Ausprobieren 64 1 2 3 4 5 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Die Bewegungsgesetze 66 Kraft und Bewegung 66 Immer weiter? 70 Forschen – Finden – Ausprobieren 74 Kräfte und ihre Wirkung 76 Eine Kraft kommt nie allein 76 Gravitation und Gewicht 80 Forschen – Finden – Ausprobieren 84 Energie 86 Die vielen Gesichter der Energie 86 Energie im Wandel 90 Forschen – Finden – Ausprobieren 94 Energie und Leistung 96 Energieerhaltung und Wirkungsgrad 96 Leistung und Energiebedarf 100 Forschen – Finden – Ausprobieren 104 Energie im Alltag 106 Energieumsatz und Energiesparen 106 Forschen – Finden – Ausprobieren 110 Register 112 Der Quellen-, Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der Umschlaginnenseite zu finden. 7 8 9 10 11 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
1 Digitales Zusatzmaterial g2ex8r 6 Wow! Tonja hat ein eindrucksvolles Aquarium zuhause. Wenn sie die Scheiben innen reinigt, braucht sie das Aquarium nicht auszulassen und sie wird auch nicht nass. Wie könnte das funktionieren? Hast du eine Idee? Informationen zu dieser scheinbar „magischen“, unsichtbaren Kraft findest du in diesem Kapitel. Eine unsichtbare Kraft Magnetismus Magnete und ihre Magnetpole Du findest Magnete zB bei Spielsachen, Pinnwänden oder magnetischen Verschlüssen (B1). Auch in einem Lautsprecher spielt Magnetismus eine große Rolle. Zählt gemeinsam weitere Beispiele auf, in denen Magnete vorkommen. Magnete gibt es in unterschiedlichen Formen und Farben (B2). Sie haben alle eine wichtige Eigenschaft: Die Metalle Eisen, Nickel und Kobalt werden in der Nähe eines Magneten selbst magnetisch. Daher werden sie von einem Magneten angezogen. Man nennt sie ferromagnetische Stoffe. Auch spezielle Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden und bestimmte Mischungen (zB Neodym-Eisen-Bor) sind ferromagnetisch. Andere Metalle, zB Kupfer und Silber, werden von einem Magneten nicht angezogen. Sami formuliert diese Forschungsfrage: „Wo ist die Anziehungskraft bei einem Stabmagneten am größten?“ Tonja meint: „Meine Hypothese ist, dass bei einem Stabmagneten an jedem Ort die gleiche magnetische Anziehungskraft wirkt“. ï Magnete sind Körper, die andere Magnete oder Körper aus Eisen, Nickel und Kobalt anziehen. Wiederholt gemeinsam: Wie könnt ihr mit einem Experiment eine Hypothese (vorläufig) bestätigen oder diese widerlegen? Plant ein Experiment, das Tonjas Hypothese überprüft. Führt dabei ein Protokoll. Es soll den Aufbau, den Ablauf und die Versuchsergebnisse festhalten. V1 Wo ist die magnetische Kraft am größten? Materialien Stab- oder Hufeisenmagnet Büroklammern Die magnetische Anziehungskraft ist an den Enden des Magneten am größten. Man nennt sie Magnetpole. Es gibt einen Nordpol und einen Südpol. B1 Magnete verwendest du zB auf einer Pinnwand. Stabmagnet Scheibenmagnet Hufeisenmagnet B2 Magnete gibt es in unterschiedlichen Größen und Formen. Bunte Vielfalt der Magnete Magnete werden von uns Menschen gefärbt, damit man die beiden Magnetpole gut erkennen und unterscheiden kann. Die Bemalung des Magneten ist allerdings nebensächlich. In Österreich wird für den Nordpol gerne die Farbe Rot und für den Südpol Grün gewählt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Magnetismus 1 7 Luca behauptet nach der Durchführung des Versuchs V2: „Gleiche Farben ziehen sich an und unterschiedliche Farben stoßen einander ab!“ Was sagst du dazu? Hat Luca Recht? Begründe. Gegensätze ziehen einander an Ob sich zwei Magnete anziehen oder abstoßen, hängt von den Magnetpolen, die zueinander schauen, ab. Nordpol und Nordpol, sowie Südpol und Südpol stoßen einander ab (B3). Liegen sich ein Nordpol und ein Südpol gegenüber, ziehen sie sich an (B4). Das unsichtbare Magnetfeld Man spürt die Anziehung eines Magneten schon, wenn man einen ferromagnetischen Stoff in dessen Nähe bringt. Ein Magnet wirkt also auf den Raum um ihn. Das Magnetfeld und seine grafische Veranschaulichung ist ein Modell. Modelle sind Hilfsmittel der Naturwissenschaften, die komplizierte Sachverhalte vereinfacht darstellen. Sie helfen uns zB, Dinge zu verstehen, die wir nicht direkt sehen können. So kann beim Modell „Magnetfeld“ die Kraft, die rund um den Magneten wirkt, mit Feldlinien dargestellt werden. (B5, B6). Wie die gedachten Feldlinien verlaufen, kann man mithilfe von Eisenspänen zeigen (B7). Das Magnetfeld ist an den Polen am stärksten. Im grafischen Modell werden Bereiche mit schwächerer Anziehungskraft mit weiter auseinander liegenden Feldlinien dargestellt. Liegen die Feldlinien eng beieinander, wird ein Bereich mit starker Anziehungskraft dargestellt. Baue den Versuch wie am Foto dargestellt auf. Rolle mit einem Stabmagneten näher zum anderen. Was passiert? Drehe einen der Magneten um und versuche es erneut. Beschreibe, was du beobachten kannst. V2 Wann ziehen sich Magneten an, wann stoßen sie sich ab? Materialien 4 Stifte 2 Stabmagnete ï Ungleiche Pole ziehen einander an. Gleiche Pole stoßen einander ab. Wie du bereits weißt, kannst du mit einem Magneten Gegenstände aus Eisen anziehen. Aber kann der Gegenstand auch den Magneten anziehen? Plane zur Überprüfung einen Versuch und führe ihn durch. V3 Anziehung – auch umgekehrt? Materialien Magnet zB Eisennagel Das Magnetfeld beschreibt die Kraftwirkung eines Magneten in seiner Umgebung. N N S S B3 Gleiche Pole stoßen sich ab. N S N S B4 Ungleiche Pole ziehen sich an. N S B5 Das Magnetfeld wirkt räumlich rund um den Magneten. N S B6 Vereinfachte zweidimensionale Darstellung der Feldlinien. B7 Mit Eisenspänen kann das Modell „Magnetfeld“ veranschaulicht werden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 1 8 1 Woran erkennst du einen Magneten? 2 Welche Gegenstände werden von einem Magneten angezogen? Plastiklineal Pinnwandmagnet Radiergummi Eisennagel Alufolie Trinkglas Goldring Stecknadel 3 Finde im Buchstabensalat jeweils den richtigen Begriff. 4 Zwei der abgebildeten Gegenstände haben eine magnetische Wirkung. Wie könntest du herausfinden, welche das sind? 5 Im Internet findet Simon ein Angebot für diesen Magnetstab. Der Hersteller verspricht, dass durch das Rühren des Getränks mit dem Magnetstab in einem Glas die Wasserteilchen gleichmäßig ausgerichtet werden und so ein Magnetfeld entsteht, dass beim Trinken in unserem Körper ein magnetisches Kraftfeld aktiviert, wodurch wir mehr Energie haben. Kannst du diese Behauptung wissenschaftlich begründen? Überlege anhand der Informationen von den letzten beiden Seiten. Würdest du so einen Magnetstab kaufen? Warum (nicht)? Dieser Magnetstab magnetisiert Ihr Getränk! 23,80 € Eine unsichtbare Kraft Worauf wirke ich anziehend? K A B L T O G E T A N M I E N S E K L C N E I Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Magnetismus 1 9 6 Kreuze die richtige Antwort an. Ein Magnet hat die größte Anziehungskraft … an einem Ende. an beiden Enden. in der Mitte. Die Magnetpole werden … Ost- und Westpol genannt. Minus- und Pluspol genannt. Nord- und Südpol genannt. 7 Entscheide, bei welcher Abbildung es zu einer Anziehung, Abstoßung oder keiner Reaktion kommt. Trage den richtigen Begriff neben die Abbildung ein. a b c d e Halte ein Blatt Papier zwischen zwei Magnete, die sich anziehen. Ändert das etwas an der Stärke der Anziehung? Versuche es auch mit anderen flachen Gegenständen, die nicht aus Eisen, Kobalt oder Nickel sind. Was kannst du beobachten? Erkläre, wie Tonja so ihr Aquarium reinigen kann (siehe Seite 6). V4 Was beinflusst das Magnetfeld? Materialien 2 Magnete verschiedene flache Gegenstände aus deiner Umgebung (zB Papier, Plastikfolie, Lineal …) S N S N S N Eisen S N Silber S N Nickel S N S N V5 Die schwebende Büroklammer Materialien Starker Magnet Stativ mit Klemme Faden Büroklammer aus Eisen Teelicht Mit diesem Versuch sollst du zwei Forschungsfragen untersuchen: 1. Wie weit wirkt die Kraft um den Magneten herum? Vergiss bei deinen Messungen nicht, dass die magnetische Kraft in allen Raumbereichen um den Magneten wirkt. 2. Wie ändert sich der Wirkungsbereich, wenn die Büroklammer erwärmt wird? Fixiere den Magneten mit Hilfe der Stativklemme. Binde einen Faden an die Büroklammer. Halte das leere Ende des Fadens so fest, dass die Büroklammer vom Magneten angezogen wird. Sie soll den Magneten aber nicht berühren. Verwende für die 2. Forschungsfrage das Teelicht zum Erhitzen der Büroklammer. Sei vorsichtig: Der Faden soll nicht zu brennen beginnen! Wird durch das Erhitzen der Büroklammer die Anziehungskraft gestört? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
1 10 Laura bestaunt Marlenes neue Schere. Sie sagt: „Diese Schere schneidet nicht nur hervorragend, sie ist auch noch magnetisch!“ Und tatsächlich bleiben auf dieser Schere Büroklammern hängen. Eine magnetische Schere kannst du leicht selbst machen. Hast du schon eine Idee, wie? Falls nicht, findest du hilfreiche Tipps dazu in diesem Kapitel. Die Entstehung von Magnetismus Das Eisen-Magnet-Modell Du weißt bereits, dass ein Magnet eine Kraftwirkung auf andere Magneten und ferromagnetische Stoffe hat. Aber wie ist das möglich? Wie entsteht Magnetismus eigentlich? Zur Erklärung des Magnetismus verwendet man ein Modell. Beim Eisen-Magnet-Modell stellt man sich vor, dass der magnetische Gegenstand aus kleinen Magneteinheiten besteht. Sie bleiben an ihrem Ort, sind aber drehbar. Man stellt diese Magneteinheiten als kleine Pfeile dar. Laura meint: „Wenn ich einen Magneten aufschneide, dann kann ich im Inneren lauter kleine Magneteinheiten sehen.“ Erkläre Laura, warum sie damit falsch liegt. Im Inneren eines ferromagnetischen Stoffes sind diese Magneteinheiten meistens ungeordnet. Daher wirkt der Körper zunächst nicht magnetisch (B1). Wie kann man die Magneteinheiten ordnen? Finde es mit dem Versuch V6 heraus. ï Ein ferromagnetischer Stoff ist nur dann magnetisch, wenn die Magneteinheiten geordnet ausgerichtet sind (B2). Bei diesem Versuch sollst du einen Eisendraht magnetisieren und untersuchen. Berühre mit dem Draht die Eisenspäne. Da der Draht nicht magnetisch ist, bleiben keine Späne darauf hängen. Streiche immer wieder mit dem gleichen Magnetpol in derselben Richtung über den Eisendraht. Erkläre: Was passiert dabei mit den Magneteinheiten im Draht? Zeige mithilfe der Eisenspäne, dass der Draht nun magnetisiert ist. Schneide den magnetisierten Draht mit einer Schere durch. Berühre mit den Drahtstücken die Eisenspäne. Was kannst du beobachten? Tipp: Auf die gleiche Weise kannst du eine magnetische Schere herstellen. V6 Der magnetisierte Draht Materialien 1 Magnet Eisendraht (ca. 10 cm lang) Eisenspäne S N B1 Das Eisen-Magnet-Modell eines nicht magnetischen Gegenstands. S N B2 Das Eisen-Magnet-Modell eines magnetischen Gegenstands. Die Magneteinheiten sind geordnet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Magnetismus 1 11 Wenn du mit einem Magneten mehrmals über ein Eisenstück streichst, richten sich immer mehr Magneteinheiten in dieselbe Richtung aus. Das Eisenstück wird dabei magnetisiert. Was passiert, wenn du einen Magneten zerteilst? Die Erde ist ein großer Magnet! Auch die Erde hat einen magnetischen Nord- und Südpol. Sie ist von einem Magnetfeld umgeben. Obwohl das Erdmagnetfeld schwach ist, wirkt es auf die drehbare Nadel eines Kompasses (B4). Ein Kompass hilft bei der Orientierung. Er wurde ursprünglich von Seefahrern entwickelt. Ein Kompass besteht aus einem Gehäuse, einer Kompassnadel aus magnetischem Material und einer Windrose. Die Kompassnadel muss so gelagert sein, dass sie sich ohne Reibung leicht drehen kann. Sie richtet sich dann nach Norden aus. Bereits im 11. Jahrhundert nach Chr. haben chinesische Seefahrer das Erdmagnetfeld zum Navigieren am Meer benutzt. Sie verwendeten damals eine im Wasser schwimmende Kompassnadel. Zeichne eine Windrose. Beschreibe, was du alles an ihr ablesen kannst. Du bereitest dich auf eine Wanderung durch ein Gelände vor, dass du noch nicht kennst. Welche Hilfsmittel zur Orientierung würdest du einpacken? Erkläre, warum. Teilt man einen Magneten, so erhält man kleinere und schwächere Magnete, die wieder Nord- und Südpol haben (B3). Eine Kompassnadel richtet sich entlang des Erdmagnetfelds aus. So kannst du die Himmelsrichtungen bestimmen. ï ï Streiche immer wieder mit dem gleichen Magnetpol in dieselbe Richtung über den Eisennagel. Erkläre mit Hilfe der Magneteinheiten, warum der Nagel dabei magnetisiert wird. Lege den magnetisierten Nagel auf das Korkenstück. Gib den Korken samt Nagel in das Gefäß mit Wasser. Beides sollte auf der Wasseroberfläche schwimmen. Prüfe: Richtet sich der Nagel nach Norden aus? Tipp: Wenn du nichts beobachten kannst, gib ein paar Tropfen Spülmittel ins Wasser, um die Oberflächenspannung des Wassers zu verringern. V7 Baue einen Kompass! Materialien Magnet kleiner Eisennagel flaches Stück Korken Gefäß mit Wasser B3 Die Teilstücke eines geteilten Magnets sind wieder Magnete mit Nord- und Südpol. N S W O N S B4 Das Magnetfeld der Erde wirkt auf die Kompassnadel. Polarlichter Mit Hilfe des Erdmagnetfelds können wir nicht nur sicher auf dem Meer navigieren, es schützt uns auch vor schädlicher Strahlung aus dem All. Trifft diese Strahlung auf das Erdmagnetfeld, entstehen Polarlichter. Das sind eindrucksvolle Lichterscheinungen, die in unterschiedlichen Grün-, Blau- oder Rottönen auftreten. Sie heißen so, weil wir sie hauptsächlich in der Nähe des Nord- und Südpols sehen können. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 1 12 1 Hier sind 2 Nägel mit Hilfe des Eisen-Magnet-Modells abgebildet. Welche Abbildung zeigt einen magnetischen Gegenstand? Abbildung Begründe deine Antwort: 2 Sind die Aussagen richtig oder falsch? Kreuze an. Streiche bei den falschen Aussagen die falschen Begriffe durch und notiere den richtigen Begriff. richtig falsch richtiger Begriff Beim Eisen-Magnet-Modell stellt man sich vor, dass ein magnetischer Gegenstand aus vielen kleinen drehbaren Magneteinheiten besteht. Wirkt ein Körper aus Eisen unmagnetisch, liegen die Magneteinheiten im Inneren geordnet. Man kann die Magneteinheiten im Inneren eines Eisendrahtes nicht ordnen. Streicht man mehrmals mit dem gleichen Magnetpol über einen Eisendraht, ordnen sich die Magneteinheiten im Inneren. 3 Oje! Der Lehrerin ist der große Hufeisenmagnet aus den Händen gerutscht, zu Boden gefallen und dabei zerbrochen. Markus denkt: „Macht nichts! Jetzt hat die Lehrerin wenigstens einen einzelnen Nordpol-Magneten und einen Südpol-Magneten.“ Erkläre Markus, wo er einen Denkfehler macht. Formuliere deine Begründung mit den Magneteinheiten des Eisen-Magnet-Modells. Begründe so auch, wieso die Teile des zerbrochenen Magneten schwächer wirken als der große Magnet. A B Überprüfe mit einem Magneten, welche Gegenstände ferromagnetisch sind. Erstelle dazu eine Tabelle mit deinen Ergebnissen. V8 Welche Gegenstände sind ferromagnetisch? Materialien Magnet verschiedene Gegenstände (zB Lineal, Münzen, Schlüssel, Radiergummi, …) Die Entstehung von Magnetismus Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Magnetismus 1 13 4 Wenn man mit einem Hammer stark auf einen Magneten klopft, wird seine magnetische Wirkung geringer. Erkläre diese Eigenschaft mit Hilfe der Magneteinheiten des Eisen-Magnet-Modells. Überprüfe sie mit einem geeigneten Versuch. Sei dabei vorsichtig und bitte einen Erwachsenen um Hilfe. 5 Im Versuch V5 auf Seite 9 hast du entdeckt, dass die Büroklammer beim Erhitzen plötzlich ihre magnetische Wirkung verliert. Diskutiert gemeinsam: Wieso könnt ihr diesen Effekt mit den Magneteinheiten nicht erklären? Welche Schlussfolgerung zieht ihr daraus? 6 Auf der Erde richtet sich eine drehbare immer nach aus, da die selbst ein Magnet ist. Wie jeder andere Magnet auch, wird sie von einem umgeben und durchdrungen. Die Kompassnadel ist und frei beweglich. 7 Früher verwendete man hauptsächlich Kompasse zur Navigation. Heute werden moderne Navigationsgeräte (zB GPS beim Smartphone). Welche Vorteile und Nachteile hat ein Kompass gegenüber der Navigation mit elektronischen Geräten? 8 Wir Menschen können die magnetische Wirkung der Erde nicht wahrnehmen. Es gibt allerdings Tiere, die das können. Finde 7 solcher Tiere im Wortgitter. A J WTQDAXWOPCGL MONARCHFALTERA ERUUTFNALNVBMC I S X B T A Q T U I D K K H SFLEDERMAUS J D S E I GHKAKERLAKE I Bernd liest Kommentare zu einem Video, in dem Menschen einem gestrandeten Wal zurück ins Wasser helfen: „Wale sehen so schlecht, dass sie nicht erkennen können, wo das Meer endet.“ „Etwas hat den Magnetsinn des Wals gestört, der konnte sich sicherlich nicht mehr orientieren.“ „Der Wal ist beim Jagen wohl zu nah an den Strand gekommen.“ Recherchiere, welche Aussagen naturwissenschaftlich belegt werden können. Nutze unterschiedliche Quellen und prüfe, ob deine Quellen verlässlich sind. Tipp: Eine verlässliche Quelle liefert wissenschaftliche Argumente und belegt diese mit anderen Quellen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Forschen – Finden – Ausprobieren 1 14 Die Geschichte von Magnetus Eisenstein Im Deutschunterricht hat Konstantin den Auftrag bekommen, eine kurze und lustige Geschichte zu schreiben. Sie soll zu Magneten und ihrer Wirkung passen. Konstantin erfindet eine Geschichte mit dem Titel „Die Geschichte von Magnetus Eisenstein“. Leider hat er einige physikalische Fehler gemacht. Finde die Fehler und unterstreiche sie. Korrigiere die Fehler und begründe mit den Informationen aus diesem Abschnitt. Erinnere dich: Eine Hypothese kann durch ein Experiment (vorläufig) bestätigt oder widerlegt werden. Überprüfe Magnetus Aussagen (gedanklich) mit den Experimenten aus diesem Abschnitt. Erkläre, warum sie die Aussagen entweder bestätigen oder widerlegen. Heute Vormittag ging ich an Margarete Nickel vorbei. Sie ist eine liebe Magnetfreundin von mir. Plötzlich kamen wir uns zu nahe und sie wurde von mir angezogen. Ich erkannte sofort, dass meine Kraft an den Enden am stärksten ist. Gleiche Pole ziehen einander immer an. Deswegen sagt man auch: „Gleich und gleich gesellt sich gern!“ Später brauchte ich für einen Versuch einen Südpol, also schnitt ich schnell einen Magneten auseinander. Das hat gut funktioniert, mit dem Südpol in der Hand machte ich mich an den Versuch. Nach vollbrachter Arbeit ging ich in den Wald. Zum Glück besitzt die Erde ein Magnetfeld! So konnte ich mit meinem Kompass die Himmelsrichtungen bestimmen und sicher durch den Wald spazieren, ohne mich zu verirren. Genug erzählt, denn ich muss mich noch um meinen Stabmagneten kümmern und ihn reinigen. Seit dem Spaziergang kleben viele Blätter und Plastiksackerl an ihm. Bis zum nächsten Mal, euer Magnetus Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Magnetismus 1 15 1. Klebe die beiden Magnete so auf den Tisch, dass sie sich gegenseitig abstoßen, aber durch das Klebeband fixiert sind. 2. Lege das Blatt Papier auf die Magnete. Achte darauf, dass sie vom Papier vollständig bedeckt sind. 3. Streue das Eisenpulver vorsichtig über das ganz Blatt Papier, wie als würdest du einen Kuchen mit Zucker bestreuen wollen. Die Eisenspäne ordnen sich so an, wie es im Modell des Magnetfelds dargestellt wird. Wiederholt gemeinsam, warum es die Feldlinien des Magnetfelds in Wirklichkeit nicht gibt. 4. Zeichne Bilder deines Versuchs: Einmal mit Eisenspänen, einmal als Modell mit Feldlinien. Tipp: Auf Seite 7 findest du Abbildungen, die dir helfen könnten. Woran erkennst du an den Bildern, dass sich diese Magnete abstoßen? 5. Hebe das Blatt Papier vorsichtig an den Längsseiten auf und lass die Eisenspäne in die Mitte des Blattes rutschen. So kannst du die Späne sicher ins Gefäß zurück leeren. 6. Klebe die beiden Magnete nun so auf den Tisch, dass sie sich gegenseitig anziehen. Die beiden Pole sollen nicht direkt aneinander liegen! 7. Lege das Blatt Papier auf die Magnete. Achte darauf, dass die Magnete vom Papier vollständig bedeckt sind. 8. Streue wieder das Eisenpulver vorsichtig über das ganz Blatt Papier. 9. Zeichne Bilder deines Versuchs: Einmal mit Eisenspänen, einmal als Modell mit Feldlinien. Woran erkennst du an den Bildern, dass sich diese Magnete anziehen? sich abstoßende Magnete mit Eisenspänen sich abstoßende Magnete mit Feldlinien sich anziehende Magnete mit Eisenspänen sich anziehende Magnete mit Feldlinien Versuch: Decke das Feldlinien-Geheimnis auf! Materialien 2 Magnete (gleicher Bauart) 1 Blatt Papier doppelseitiges Klebeband Eisenspäne So könnte dein Versuchsergebnis aussehen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Digitales Zusatzmaterial g2f9ph 16 Der Flamingo hat eindeutig schon bessere Zeiten erlebt. Als Boot ist er zwar noch verwendbar, aber aus Kopf und Hals ist offensichtlich schon die Luft „draußen“. Warum strömt die Luft eigentlich hinaus, wenn der Flamingo ein Loch bekommt? In diesem Kapitel lernst du, was Druckunterschiede damit zu tun haben und dass sie auch beim elektrischen Strom eine Hauptrolle spielen. Der elektrische Druckunterschied Elektrischer Strom Druckunterschiede bewirken Strömungen Wenn dein Fußball zu wenig Luft hat, pumpst du ihn auf. Dabei bringst du mit Hilfe einer Pumpe mehr Luftteilchen in den Fußball. Der Ball wird hart, da sich in ihm mehr Luft als in seiner Umgebung befindet. Im Ball ist ein Überdruck entstanden. Wenn du das Ventil öffnest, strömt die Luft aus dem Ball: Der normale Luftdruck um den Ball herum und der Überdruck im Ball versuchen sich auszugleichen (B1). Die Luft strömt dabei immer aus dem Bereich mit Überdruck in den Bereich mit Normaldruck. Das Elektronengas-Modell Welche kleinsten Teilchen kennst du schon? Zähle einige auf. Erinnere dich: Jede Materie (egal ob fest, flüssig oder gasförmig) ist aus Atomen aufgebaut. Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle (B3). Der Atomkern enthält die positiven Ladungen. Er bestimmt die Masse des Atoms. Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen, die sich sehr schnell um den Atomkern bewegen. In Metallen sind manche dieser Elektronen frei beweglich, sie sind nicht mehr an den Atomkern gebunden. Man nennt diese frei beweglichen Elektronen auch „Elektronengas“. Mithilfe dieses Elektronengas-Modells können viele physikalische Phänomene und Eigenschaften erklärt werden – zB der elektrische Strom. Der Vergleich mit der Luft und Luftströmungen hilft uns, die Eigenschaften des elektrischen Stroms einfacher zu erklären. In Wirklichkeit haben das Elektronengas und die Luft auch viele unterschiedliche Eigenschaften. Wenn sich in einem Stoff frei bewegliche Elektronen befinden, ist er ein elektrischer Leiter. Solange keine Batterie angeschlossen ist, herrscht im Leiter ein elektrischer Normaldruck (B4). Das bedeutet, dass die Anzahl der Elektronen „normal“ groß ist. Luftströmungen entstehen durch Druckunterschiede. Luft strömt dabei immer vom Bereich mit hohem Druck zum Bereich mit niedrigerem Druck. Je höher der Druckunterschied, desto stärker ist die Strömung. ï Wenn ein Leiter mit keiner Spannungsquelle (zB Batterie) verbunden ist, dann herrscht in diesem Leiter elektrischer Normaldruck. B1 In einem aufgepumpten Fußball herrscht Überdruck. Bei offenem Ventil strömt Luft aus dem Ball. B2 Luftströmungen bezeichnen wir im Alltag auch als Wind. + – B4 In nicht mit der Batterie verbundenen Leiterstücken herrscht elektrischer Normaldruck. B3 Kern-Hülle-Modell eines Atoms Atomkern Atomhülle Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Elektrischer Strom 2 17 Untersucht gemeinsam verschiedene Batterien. Was haben sie alle gemeinsam? Eine Batterie hat zwei elektrische Pole, einen positiven und einen negativen Pol. Verbindet man zwei Leiterstücke mit einer Batterie, pumpt die Batterie einige Elektronen aus dem Leiterstück, das mit dem Pluspol verbunden ist, in das Leiterstück, das mit dem Minuspol verbunden ist. Im Leiterstück am Pluspol entsteht ein elektrischer Unterdruck, am Minuspol ein elektrischer Überdruck (B5). Vergleicht den elektrischen Überdruck mit dem Aufpumpen des Fußballs. Welche Teile entsprechen welchen Teilen beim Fußball? Besprecht gemeinsam Stärken und Schwächen des Vergleichs. Der elektrische Druckunterschied Batterien sorgen für einen festen elektrischen Druckunterschied. Der elektrische Druckunterschied wird in der Fachsprache elektrische Spannung genannt. Sie wird mit einem U abgekürzt. Elektrische Spannungen werden in der Einheit Volt (V) angegeben und werden mit einem Voltmeter gemessen. Spannungsquellen liefern einen konstanten elektrischen Druckunterschied (zB Batterien oder Steckdosen). Ein elektrischer Druckunterschied ist der Grund, warum Elektronen zu fließen beginnen, sobald man die Leiterstücke verbindet. So wie die Luftteilchen beim offenen Ventil des Fußballs den Druckunterschied ausgleichen, gleichen auch die Elektronen den elektrischen Druckunterschied aus. Sie fließen dabei vom Bereich mit hohem elektrischem Druck in Richtung des geringeren elektrischen Drucks, also vom Minuspol zum Pluspol der Spannungsquelle. ï Verbindet man einen Leiter mit einer Batterie, dann sorgt diese in den Leiterstücken für einen gleichbleibenden elektrischen Überdruck und Unterdruck. ï Eine Spannungsquelle verursacht einen elektrischen Druckunterschied. Den elektrischen Druckunterschied nennt man elektrische Spannung U, ihre Einheit ist 1V (Volt). Ein Multimeter ist ein Gerät, mit dem man verschiedene elektrische Größen messen kann. Nimm das Multimeter zur Hand und untersuche seine möglichen Einstellungen. Stelle das Multimeter so ein, dass du die elektrische Spannung messen kannst. Nimm verschiedene Batterien zur Hand und miss ihre Spannung. Halte dabei eine Messspitze an den Pluspol und die andere an den Minuspol der Batterie. Notiere die gemessenen Werte der Spannung in Volt und vergleiche sie mit den Beschriftungen der Batterien. V1 Wie misst man den elektrischen Druckunterschied? Materialien Multimeter 2 passende Kabel verschiedene Batterien + – B5 Nach dem Verbinden mit der Batterie entsteht im Leiterstück am Pluspol ein elektrischer Unterdruck, am Minuspol ein elektrischer Überdruck. Manche Tiere sind „elektrisch“ Auch manche Tiere können elektrische Druckunterschiede erzeugen. Der Zitterrochen zB hat ein elektrisches Organ, mit dem er Beutetiere durch Stromstöße lähmen kann. Auch für Taucherinnen und Taucher können Zitterrochen gefährlich werden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 2 18 1 In diesen Behältern ist Luft: Je mehr Punkte, desto mehr Teilchen. Male Bereiche mit Überdruck rot, Bereiche mit Normaldruck gelb und Bereiche mit Unterdruck blau an. 2 Fülle die Lücken mit diesen Wörtern: auszugleichen, höherer, stärker, Strömung, Unterdrucks In Bereichen mit mehr Teilchen ist ein Druck als in Bereichen mit weniger Teilchen. Werden diese Bereiche miteinander verbunden, versuchen sie, die Teilchenanzahl . Dabei entsteht eine , die immer in Richtung des strömt. Je höher der Druckunterschied der beiden Bereiche ist, desto ist die Strömung. 3 Ziehe die Leiter in verschiedenen Farben nach: Für Überdruck rot, für Unterdruck blau, für Normaldruck gelb. Tipp: In verbundenen Leitern herrscht immer der gleiche Druck. Beispiel: Plane einen Versuch, bei dem du die Stärke der Luftströmung untersuchen kannst, die aus einem Fahrradreifen strömt. Verändere dabei den Reifendruck und untersuche den Zusammenhang mit der Stärke der Luftströmung. Führe ein Versuchsprotokoll. V2 Luftströmungen untersuchen Materialien Fahrradschlauch mit Ventil Luftpumpe – + – + + – – + Der elektrische Druckunterschied Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Elektrischer Strom 2 19 4 Betrachte den dargestellten Schaltplan. Markiere den elektrischen Druck in den Leiterabschnitten farbig (für Unterdruck blau, für Überdruck rot, für Normaldruck gelb). Kreuze an, ob ein elektrischer Druckunterschied zwischen den mit Buchstaben gekennzeichneten Punkten besteht. Punkte kein elektrischer Druckunterschied elektrischer Druckunterschied A und B B und C B und D D und E E und F C und G 5 Bilde richtige Sätze und verbinde: Batterien und Steckdosen elektrischen Druckunterschied. Sie sorgen für einen festen elektrischer Strom zu fließen beginnt. Je mehr Volt eine Batterie hat, umso größer werden Spannungsquellen genannt. Der Druckunterschied ist der Grund, warum ist der von ihr erzeugte Druckunterschied. 6 Steckst du in Österreich ein Elektrogerät an die Steckdose an, wird dieses mit einer Spannung von 230V versorgt. Das ist die Netzspannung in Österreich. Das ist aber nicht auf der ganzen Welt gleich. Recherchiere: Welche Netzspannung wird in Amerika verwendet? In welchen Ländern weicht die Netzspannung noch von Österreich ab? Finde Beispiele. Welche Probleme können auftreten, wenn du in eines dieser Länder reist? Wie kannst du dieses Problem für dich lösen? Nicht nur die Netzspannung kann ein Problem werden. Welche Probleme können beim Betrieb von Elektrogeräten in anderen Ländern noch auftreten? Recherchiere. Überlegt in der Gruppe, wie man diese Probleme durch geeignete Maßnahmen verhindern könnte. Erstellt ein Konzept zur Verbesserung der Situation. Präsentiert euer Ergebnis. + – A B C D E G F Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 20 Am Fernseher siehst du Bilder und hörst du Töne, wenn du ihn einschaltest. Ein Handy kannst du verwenden, sobald der Akku geladen ist. Der Ofen in der Küche backt einen Kuchen. All das ist für uns selbstverständlich. Doch was steckt dahinter? In diesem Kapitel erfährst du, was ein elektrischer Stromkreis ist und wie du diesen ganz einfach bauen kannst. Der elektrische Stromkreis Der elektrische Stromkreis Eine Spannungsquelle bewirkt einen elektrischen Druckunterschied. Wenn die Pole der Spannungsquelle mit Leiterstücken verbunden sind, bewirkt der elektrische Druckunterschied eine Elektronenströmung vom Minuspol zum Pluspol. Damit elektrischer Strom ohne Probleme fließen kann, braucht man neben der Spannungsquelle und dem Leiter zumindest einen elektrischen Bauteil. Eine Spannungsquelle ist zB eine Batterie oder ein Akku. Ein typischer Leiter ist zB ein Kupferkabel. Elektrische Bauteile sind kleine oder große Bauteile, durch die elektrischer Strom fließt – zB ein Lämpchen, ein Radio, ein Geschirrspüler … Die Verbindung von Spannungsquelle, Leiter und elektrischem Bauteil bezeichnet man als elektrischen Stromkreis (B1). Versuche ein einfaches Lämpchen mit Hilfe einer 4,5-V-Flachbatterie zum Leuchten zu bringen. Was musst du dabei beachten? Für jedes Elektron, das vom Überdruck durch die Lampe zum Unterdruck strömt, pumpt die Batterie ein anderes Elektron vom Leiterstück mit Unterduck zum Leiterstück mit Überdruck. So bleibt der elektrische Druckunterschied aufrecht. Es kommt zu einer dauerhaften Elektronenströmung, solange die Batterie angeschlossen ist (B2). Ein Lämpchen stellt für die Elektronen im Stromkreis einen elektrischen Widerstand dar. Das kannst du dir wie ein Stück Stoff vorstellen, dass du vor das geöffnete Ventil des Fußballes hältst: So wie die Luftteilchen vom Stoff gebremst werden, werden die Elektronen im engen Glühdraht des Lämpchens „abgebremst“. Mehr zum elektrischen Widerstand lernst du im Abschnitt 3. Der elektrische Druckunterschied (Spannung) bewirkt eine Elektronenströmung. Die Elektronenströmung wird in der Fachsprache elektrischer Strom genannt. Damit elektrischer Strom fließen kann, muss der elektrische Stromkreis geschlossen sein. ï Die Spannungsquelle hält im elektrischen Stromkreis die Spannung aufrecht. Ein elektrischer Bauteil stellt einen elektrischen Widerstand für die Elektronenströmung dar, der die Elektronen „abbremst“. – + Leiter Batterie Lämpchen B1 Schaltplan eines einfachen Stromkreises. – + B2 Darstellung von Überdruck (rot) und Unterdruck (blau) in einem Stromkreis. Unterschiedliche Stromrichtungen Früher war man der Meinung, positiv geladene Teilchen würden vom Plus- zum Minuspol strömen. In der Elektrotechnik wird die Stromrichtung weiterhin so angegeben. Man unterscheidet daher die physikalische Stromrichtung (vom Minus- zum Pluspol) und die technische Stromrichtung (vom Plus- zum Minuspol). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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