Impuls Physik 3 Teildruck für Lehrerinnen und Lehrer
Impuls Physik 3, Schulbuch + E-Book 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.“ Bildnachweis: S. 4.1: MandM_Photo / Getty Images - iStockphoto; S. 4.2: Andrea Micko, Dörfles; S. 4.3: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 4.4: Grassetto / Getty Images - iStockphoto; S. 4.5: Abdulkadir ARSLAN / Getty Images; S. 4.6: zoranm / Getty Images; S. 4.7: worradirek / Getty Images - iStockphoto; S. 4.8: visdia / Fotolia; S. 4.9: Mumemories / Getty Images; S. 4.10: iStockphoto / Thinkstock; S. 4.11: Kesu01 / Getty Images - iStockphoto; S. 4.12: FatCamera / Getty Images; S. 5.1: EvgeniyShkolenko / Getty Images; S. 5.2: gbh007 / Getty Images - iStockphoto; S. 5.3: PeopleImages / Getty Images; S. 5.4: dima_zel / Getty Images - iStockphoto; S. 5.5: Marc Roura / Getty Images - iStockphoto; S. 5.6: Animaflora / Getty Images - iStockphoto; S. 5.7: Jacob Ammentorp Lund / Getty Images - iStockphoto; S. 5.8: ganzoben / Getty Images - iStockphoto; S. 5.9: coldsnowstorm / Getty Images; S. 5.10: JRP Studio / stock.adobe.com; S. 6.1: MandM_Photo / Getty Images - iStockphoto; S. 6.2: Medienlieferant: ; S. 6.4: Ilona Shorokhova / Getty Images - iStockphoto; S. 7.1: Andrea Micko, Dörfles; S. 7.6: Wittayayut / Getty Images - iStockphoto; S. 8.1: Andrea Micko, Dörfles; S. 8.2: chankim2000 / Getty Images - iStockphoto; S. 9.1: Andrea Micko, Dörfles; S. 9.2: Andrea Micko, Dörfles; S. 10.1: Andrea Micko, Dörfles; S. 10.4: Andrea Micko, Dörfles; S. 11.3: sumos / Getty Images - iStockphoto; S. 11.4: Andrea Micko, Dörfles; S. 12.3: Elena Itsenko / Thinkstock; S. 15.1: Andrea Micko, Dörfles; S. 16.1: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 16.3: FilippoBacci / Getty Images; S. 17.2: Ivan Villarejo / Getty Images - iStockphoto; S. 17.3: Veremeev / Getty Images - iStockphoto; S. 20.1: Grassetto / Getty Images - iStockphoto; S. 20.4: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 21.1: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 21.2: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 22.2: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 22.3: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 23.1: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 23.2: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 24.1: Liudmila Chernetska / Getty Images; S. 25.1: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 25.2: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 25.3: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 25.4: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 25.5: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 26.1: Abdulkadir ARSLAN / Getty Images; S. 26.5: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 27.1: Guy Pracros / Fotolia; S. 27.2: mosufoto / Getty Images; S. 29.2: Peter Novak, Freistadt; S. 30.1: zoranm / Getty Images; S. 30.2: boggy22 / Getty Images; S. 30.3: skynesher / Getty Images; S. 33.2: gorodenkoff / Getty Images; S. 35.1: Verena Margl, Petronell-Carnuntum; S. 35.2: Verena Margl, Petronell-Carnuntum Illustrationsnachweis: Claudia Blazejak, Braunschweig: Seiten: 7.4; 7.5; 10.2; 10.3; 10.5; 11.1; 11.2; 12.1; 12.2; 14.1; 16.2; 16.5; 17.1; 18.1; 18.2; 19.1; 20.2; 20.3; 21.3; 22.1; 24.2; 24.3; 24.4; 24.5; 26.2; 26.3; 26.4; 29.1; 30.4; 30.5; 31.1; 31.2; 31.3; 31.4; 32.1; 32.2; 33.1; Adam Silye, Wien: Seiten: 7.2; 7.3; 16.4; 21.4; 27.3; 34.1; 34.2; Adam Silye, Wien; Claudia Blazejak, Braunschweig: Seite: 6.3 Das Schulbuch verwendet Ideen für Unterrichtskonzeptionen (Text und Abbildungen) aus diesen Quellen: Abschnitt 1 (Magnetismus – Eisen-Magnet-Modell): Rachel, A. (2012). Auswirkungen instruktionaler Hilfen bei der Einführung des (Ferro-)Magnetismus. Eine Vergleichsstudie in der Primar- und Sekundarstufe. Berlin: Logos. Rachel, A., Wiesner, H., Heran-Dörr, E. und Waltner, Chr. (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 2, 3 (Elektrizitätslehre – Elektronengas-Modell): Dr. Jan-Philipp Burde et al.: Eine Einführung in die Elektrizitätslehre mit Potenzial. https://www.einfache-elehre.de/epo.php (Abgerufen am 14. 11. 2022) 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2024 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: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn Teildruck von ISBN 978-3-209-12340-4 (Impuls Physik SB 3 + E-Book) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Bibiane Blauensteiner Verena Margl Andrea Micko Impuls Physik 3 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 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. Ein Modell gibt es daher nur in unserer Vorstellung, es stellt nicht die Wirklichkeit dar. Das Modell „Magnetfeld“ zeigt dir, wie die Kräfte um einen Magneten herum wirken. Es wird mit Hilfe von Feldlinien dargestellt (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 Gleichnamige Pole ziehen einander an. Ungleichnamige 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 Ungleiche Pole stoßen sich ab. N S N S B4 Gleiche Pole ziehen sich an. N S B5 Das Magnetfeld wirkt räumlich rund um den Magneten. N S B6 Vereinfachte zweidimensionale Darstellung der Feldlinien. B7 Eisenspäne ordnen sich so an, wie es im grafischen Modell des Magnetfelds dargestellt wird. Die Feldlinien sind aber nicht wirklich vorhanden. 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 Bei diesem Versuch untersuchst du, wie weit der Wirkungsbereich eines Magneten reicht und ob Erwärmung die Anziehungskraft beeinflusst. 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. 1. Ziehe die Büroklammer vorsichtig noch ein wenig weiter weg. Wie weit kannst du sie vom Magneten entfernen, so dass sie gerade noch angezogen wird? 2. Erhitze nun die Büroklammer mithilfe des Teelichts. 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 V7 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 Magnete, die wieder Nord- und Südpol haben (B3). Ein Kompass 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! Da ist der Lehrerin ein Missgeschick passiert. Beim Hereintragen der Versuchsmaterialien ist ihr der große Hufeisenmagnet aus den Händen gerutscht, zu Boden gefallen und dabei zerbrochen. Markus denkt sich: „Macht nichts! Jetzt hat die Lehrerin wenigstens einen einzelnen Nordpol-Magneten und einen Südpol-Magneten. Die gab es bis jetzt sowieso noch nicht in der Physiksammlung.“ Erkläre Markus, wo er einen Denkfehler macht. Formuliere deine Begründung mit den Magneteinheiten des Eisen-Magnet-Modells. 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 Aussage naturwissenschaftlich belegt werden kann. 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 aber 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 Polenden 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 Himmelsichtungen bestimmen und sicher durch den Wald spazieren, ohne mich zu verirren. Genug erzählt, 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 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 jetzt das Ventil öffnest, beginnt die Luft aus dem Ball zu strömen: 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 In einem nicht mit der Batterie verbundenen Leiter herrscht 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 Pole, einen negativen und einen positiven 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 Über- bzw. 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 alle Geräte, die Strom benötigen, um zu funktionieren – 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 Widerstand lernst du im Abschnitt 3. Der elektrische Druckunterschied (Spannung) bewirkt eine Elektronenströmung. Die Elektronenströmung nennt man in der Fachsprache elektrischer Strom. 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
Elektrischer Strom 2 21 Energieübertragung im elektrischen Stromkreis Auch wenn im Alltag oft von „Verbrauchern“ und „Stromverbrauch“ gesprochen wird, werden die Elektronen in elektrischen Bauteilen nicht „verbraucht“ (B3). Wie der Name schon sagt, strömen im elektrischen Stromkreis die Elektronen im Kreis, um den von der Batterie erzeugten elektrischen Druckunterschied auszugleichen. Die Energie wird dabei durch die Bewegung der Elektronen von der Batterie zum Lämpchen übertragen. Milan meint: „Wenn ich meine Lampe anstecke, fließen Elektronen von der Steckdose in die Lampe und werden dort zu Licht“ Welchen Denkfehler macht Milan? Erkläre. Die Intensität der Elektronenströmung Die Intensität der Elektronenströmung gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließen (B4). Sie wird mit einem I abgekürzt und in der Fachsprache elektrische Stromstärke genannt. Die elektrische Stromstärke wird in der Einheit Ampere (A) angegeben und mit einem Amperemeter gemessen. Baue zuerst einen einfachen Stromkreis, in dem das Lämpchen leuchtet. Baue dann einen Schalter ein. Macht es einen Unterschied, ob du den Schalter vor oder nach dem Lämpchen in den Stromkreis einbaust? Notiere deine Beobachtung. Wie kannst du sie erklären? V3 Baue einen einfachen Stromkreis Materialien 4,5-V-Flachbatterie Lämpchen im Sockel 3 Kabel Schalter Im elektrischen Stromkreis wird die Energie durch die Bewegung der Elektronen von der Batterie zum Lämpchen übertragen. Die Elektronen werden dabei nicht „verbraucht“. ï Die Intensität der Elektronenströmung I nennt man auch elektrische Stromstärke. Ihre Einheit ist 1 A (Ampere). Miss die Intensität der Elektronenströmung in einem einfachen Stromkreis mit Batterie und Lämpchen. Wenn du ein Multimeter verwendest, stelle das Multimeter so ein, dass du damit die elektrische Stromstärke in Ampere messen kannst. Zeige deiner Lehrkraft deinen Stromkreis, bevor du das Multimeter anschließt. Wie und wo musst du die Messspitzen des Multimeters anlegen, um die Intensität der Elektronenströmung messen zu können? Unterscheiden sich die Messwerte, wenn du das Multimeter vor oder nach dem Lämpchen anschließt? Beschreibe. Hilf, wenn notwendig, einer Mitschülerin oder einem Mitschüler. V4 Wie misst man die Intensität der Elektronenströmung? Materialien Amperemeter oder Multimeter Batterie Kabel Lämpchen B3 Elektronische Geräte „verbrauchen“ keine Elektronen. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Leiterquerschnitt B4 Intensität der Elektronenströmung (grafische Darstellung) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 2 22 1 Wie heißen diese Teile des elektrischen Stromkreises? Was musst du beachten, damit elektrischer Strom fließen kann? 2 Zeichne einen Schaltplan zu dem abgebildeten elektrischen Stromkreis mit Batterie, Kabel und Lämpchen. 3 Beschreibe, wie du die Widerstände in der Luftströmung (V5) mit Widerständen im elektrischen Stromkreis vergleichen kannst. Was lässt sich gut, was nicht so gut vergleichen? + Bei diesem Versuch untersuchst du verschiedene Widerstände in Luftströmungen. Blase einen Luftballon auf. Halte den Stoff vor die Öffnung und lass die Luft entweichen. Verfahre auf die gleiche Weise mit dem Polster und dem Karton. Wie schnell entweicht die Luft bei den jeweils unterschiedlichen Materialien? Erkläre, warum die Luft bei unterschiedlichen Materialien unterschiedlich schnell entweicht. V5 Widerstände in Luftströmungen Materialien Luftballon Stoff Polster Karton Der elektrische Stromkreis Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Elektrischer Strom 2 23 4 Die Physiklehrerin erklärt im Unterricht: „Elektrogeräte funktionieren nur in einem elektrischen Stromkreis.“ Jonas versteht das nicht ganz. Wenn er zu Hause seine Nachtlampe anschließt, steckt er doch nur ein Kabel in die Steckdose. Er meint: „Der Strom fließt doch von der Steckdose in das Gerät und nicht wieder hinaus. Sonst würde die Lampe ja nicht leuchten.“ Erkläre Jonas, warum er sich irrt. Das Bild kann dir bei der Erklärung helfen. 5 Beschreibe, was du im Versuch LV6 beobachten konntest. Ergänze in der Erklärung diese Begriffe: nicht verbraucht – Elektronenströmung – elektrischen Stromkreis – Energieübertragung – Widerstand Die Bleitstiftmine bewirkt durch die Verbindung der Batteriepole einen geschlossenen . Wie ein Lämpchen hat auch die Bleistiftmine einen . Die in der Bleistiftmine bewirkt eine von der Batterie zum Streichholz. Die Elektronen werden dabei . 6 Verbinde die zusammengehörigen Begriffe. elektrischer Druckunterschied elektrische Stromstärke Elektronenströmung elektrische Spannung Intensität der Elektronenströmung elektrischer Strom 7 Viele lassen Ladegeräte zum Laden von elektronischen Geräten ständig an der Steckdose angesteckt. Recherchiere: Welcher Probleme kann das bringen? Dieser Versuch untersucht die Wärmewirkung des elektrischen Stroms. Eine Bleistiftmine leitet elektrischen Strom in Längsrichtung. Die Lehrkraft legt die Bleistiftmine auf beide Pole der Blockbatterie. Dann drückt sie mit dem Streichholz vorsichtig auf die Bleistiftmine. LV6 Die Wärmewirkung des elektrischen Stroms Materialien Blockbatterie 9V Bleistiftmine Streichholz Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Forschen – Finden – Ausprobieren 2 24 Darja: Die im Glühdraht strömenden Elektronen übertragen durch ihre Bewegung die Energie von der Spannungsquelle zum Toaster. Tanja: Die Elektronen fließen von der Steckdose in die Glühdrähte des Toasters und werden dort verbrannt. So wird das Brot getoastet. Levi: Wenn ich den Toaster einschalte, fließen Elektronen von der Steckdose in den Glühdraht und können dort nicht weiterfließen. Daher erwärmt sich der Draht und das Brot wird getoastet. Sam: Wenn ich den Toaster einschalte, wird der elektrische Stromkreis geschlossen. Der Glühdraht im Toaster stellt einen Widerstand im Stromkreis dar. Was denkst du? Zwei Aussagen sind richtig. Welche? Erkläre den Jugendlichen, warum die zwei falschen Aussagen nicht stimmen können. Verwende die Fachbegriffe aus diesem Abschnitt. Formuliert in der Gruppe weitere Aussagen zur Funktionsweise des Toasters. Überprüft eure Aussagen gemeinsam. Der Toaster im elektrischen Stromkreis Tanja, Sam, Levi und Darja sind auf Sportwoche. Zum Frühstück geben sie Toastbrot in den Toaster und warten, bis er fertig ist. Dabei diskutieren sie über die Funktionsweise des Toasters. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Elektrischer Strom 2 25 Das Elektronengas als selbstgebautes Modell Materialien (B1) leere, durchsichtige Schachtel Styroporkugeln Durchmesser 2 cm (ca. 50 Stk.) Styroporkugeln Durchmesser 2–3mm Bastelkleber Baue mit den weißen Styroporkugeln das Gitter der Atomrümpfe nach. Klebe dafür zuerst eine Reihe Kugeln auf den Boden der Schachtel. Lass die Schicht gut trocknen (B2). Klebe nun die zweite Schicht Styroporkugeln versetzt darauf (B3). Fahre nun so fort, bis deine Schachtel gefüllt ist (B4). B1 Materialien B2 erste Schicht B3 zweite Schicht B4 volle Schachtel Lass alles über Nacht gut trocknen. Fülle nun eine Handvoll kleiner Styroporkügelchen in die Schachtel dazu (B5). Vergleiche dein gebasteltes Modell mit dem Elektronengas-Modell von Seite 16. Was stellen die weißen Styroporkugeln dar? Was stellen die bunten Styroporkugeln dar? Was kannst du an deinem Modell gut erkennen? Was kannst du an deinem Modell nicht oder nicht gut erkennen? Begründe, warum manche physikalischen Eigenschaften gut erkennbar sind, andere aber nicht. B5 das fertige Modell Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 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. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Widerstände und Schaltungen 3 27 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 1 A 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 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. B4 Festwiderstände in elektrischen Schaltungen: Die Farbringe geben Auskunft über die Stärke des Wiederstandes. B5 Diese veränderbaren Widerstände werden durch Drehen reguliert. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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