Zum Inhalt springen

Lektion 12

Arbeit, Leistung und Energie

Hubarbeit, Leistung beim Treppensteigen, Beschleunigungsarbeit, Arbeit und Energie, Energieformen und Energieerhaltung, Wirkungsgrad
PhysikSehr prüfungsrelevantca. 50 Min.Adaptiver Trainer
Prüfung zu diesem Thema planen →

In 30 Sekunden

Ob du die Treppe in den 3. Stock gemütlich hinaufgehst oder rennst: Oben bist du gleich hoch. Warum bist du nach dem Rennen trotzdem ausser Atem? Und wohin verschwindet die Energie, wenn ein Velo bremst?

Eine Person mit steht unten an der Treppe.

Nach dieser Lektion

  • Du berechnest Arbeit als Kraft mal Weg, Hubarbeit mit und Beschleunigungsarbeit mit .

  • Du berechnest die Leistung , zum Beispiel beim Treppensteigen, in Watt und Kilowatt.

  • Du erklärst Energieformen und ihre Umwandlungen und zeigst, dass Energie erhalten bleibt.

  • Du berechnest den Wirkungsgrad einer Maschine und erklärst, wo der Rest bleibt.

An der Prüfung: Hubarbeit, Leistung und Wirkungsgrad sind typische Rechenaufgaben, Energieformen und Erhaltung typische Erklärfragen. Physik ist an der FMS kein Fach der Abschlussprüfung: Die Note kommt aus den Prüfungen in der Klasse.

Schritt 2

Entdecken

Verschieb die Regler und löse die Aufträge. Achte darauf, was sich im Bild ändert; die Formel zeigt dir, warum.

h = 9 m0 s

Zeitraffer: sechsfaches Tempo. Jedes Stockwerk ist 3 m hoch.

Gleiche Treppe, halbe Zeit: gleiche Arbeit, doppelte Leistung.

Beispiele

5,30kJ

353W

  • Gleiche Treppe, halbe Zeit: gleiche Arbeit, doppelte Leistung.

Zeitraffer: sechsfaches Tempo. Jedes Stockwerk ist 3 m hoch.

Aufträge

0 von 3 geschafft

  • Steig mit so hoch, dass die Hubarbeit mehr als beträgt.

    (offen)
  • Erreiche eine Leistung von mindestens .

    (offen)
  • , Stockwerke: Wie lange darfst du brauchen, damit du etwa leistest (auf genau)?

    (offen)
Entdecke:

Die Arbeit hängt nur von Masse und Höhe ab, nicht von der Zeit. Die Leistung schon: Wer schneller steigt, leistet mehr. Ein Sportler schafft kurz etwa , über eine längere Zeit viel weniger.

Schritt 3

Verstehen

Das Wichtigste auf einen Blick.

1Hubarbeit

Kraft und WegArbeit
  • Arbeit ist Kraft mal Weg in Richtung der Kraft. Einheit Joule: , .
  • Hubarbeit: Wer eine Last um die Höhe hebt, braucht die Kraft : .
  • Flaschenzug und Hebel sparen Kraft, aber nicht Arbeit: Der längere Weg gleicht es genau aus.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

Ein Koffer steht am Boden.

MerkeArbeit nur, wenn sich der Körper in Richtung der Kraft bewegt.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Leistung beim Treppensteigen», Schritt 4

2Leistung beim Treppensteigen

Treppe, 9 m hochLeistung
  • Leistung ist Arbeit pro Zeit. Einheit Watt: , .
  • Gleiche Treppe heisst gleiche Arbeit. Wer schneller ist, leistet mehr.
  • Achtung: (schräg) ist die Arbeit, W (gerade) die Einheit Watt.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

60 kg

Unten an der Treppe.

MerkeLeistung ist Arbeit pro Zeit: gleiche Arbeit, halbe Zeit, doppelte Leistung.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Leistung beim Treppensteigen», Schritt 4

3Beschleunigungsarbeit bei Fahrzeugen

  • Damit ein Fahrzeug schneller wird, braucht es die Kraft , und zwar über den ganzen Weg .
  • Die Beschleunigungsarbeit ist darum .
  • Doppelte Masse, doppelte Arbeit: Ein schwerer Lastwagen braucht beim Anfahren viel mehr als ein Auto.

Ein Auto steht.

MerkeBeschleunigungsarbeit: Kraft mal Weg.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Beschleunigungsarbeit bei Fahrzeugen», Schritt 4

4Arbeit und Energie

Arbeit am Körpersteckt dann als
  • Energie ist gespeicherte Arbeit: Was man an einem Körper arbeitet, steckt danach in ihm. Einheit: Joule.
  • Ein gehobener Körper hat Lageenergie , ein fahrender Bewegungsenergie.
  • Die Energie kann wieder Arbeit verrichten: Ein fallender Hammer schlägt den Nagel ein.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

Ein Koffer steht am Boden.

MerkeArbeit hinein, Energie drin: Was man arbeitet, wird gespeichert.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Beschleunigungsarbeit bei Fahrzeugen», Schritt 4

5Energieformen und Erhaltung

EnergieformBeispiel
  • Energie hat viele Formen: Lage, Bewegung, Wärme, Licht, elektrische und chemische Energie (in Nahrung, Benzin, Akkus).
  • Energie wird umgewandelt, sie geht aber nie verloren und entsteht nie aus nichts: Energieerhaltung.
  • Was «verloren» scheint, ist meist Wärme, zum Beispiel in den Bremsen oder in der Luft.
Lageenergie

Oben am Hügel steht ein Velo: Es hat Lageenergie.

MerkeEnergie wechselt die Form, die Summe bleibt gleich.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Wirkungsgrad», Schritt 4

6Wirkungsgrad

  • Keine Maschine nutzt alles: Ein Teil der zugeführten Energie wird zu Wärme. Der Wirkungsgrad (eta) ist der genutzte Anteil.
  • ist immer kleiner als , also unter . Mit Leistungen rechnet man gleich.
  • Ein guter Elektromotor nutzt rund , ein Benzinmotor nur etwa einen Viertel.
zugeführt

Eine Maschine bekommt Energie zugeführt, zum Beispiel elektrische.

MerkeWirkungsgrad: Nutzen durch Aufwand, immer unter .

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Wirkungsgrad», Schritt 4

Im Alltag

Wo dir das ausserhalb der Schule begegnet.

Skilift

Eine Skifahrerin mit unten am Skilift.

Ein Skilift zieht eine Skifahrerin mit um hinauf. Das ist eine Hubarbeit von .

Elektrovelo

Akku: 500 Wh

Der Akku speichert (Wattstunden), das sind .

Ein Elektrovelo hat einen Akku mit (angenommen). Hilft der Motor mit , reicht der Akku für .

Bremsen bergab

Lageenergie

Oben hat das Velo samt Fahrer viel Lageenergie.

Fährst du mit gleichem Tempo bergab, wird die Lageenergie in den Bremsen zu Wärme. Bei sind das etwa .

Kühlung im Rechenzentrum

bezogen: 1250 kW

Ein Rechenzentrum mit Kühlturm bezieht (angenommen).

Ein Rechenzentrum ist ein Gebäude voller Computer, die Dienste wie Chat, Suche und Videos betreiben. Von (angenommen) braucht die Kühlung , die Computer : .

Schritt 4

Musterbeispiele

Zu jeder Karte aus «Verstehen» ein Beispiel. Deck Schritt für Schritt auf und überlege dir jeden Schritt zuerst selbst.

Musterbeispiel

Mia () steigt in den 4. Stock, hoch, und braucht dafür . a) Welche Hubarbeit verrichtet sie? b) Welche Leistung bringt sie? c) Am nächsten Tag rennt sie in hinauf. Was ändert sich?

Tippe oder wische auf der Grafik für den nächsten Schritt.

  1. 1

    a) Hubarbeit

    Überlege zuerst selbst: Wie würdest du diesen Schritt machen?

  2. 2

    b) Leistung

    …

  3. 3

    c) Rennen

    …

Typische Fehler

  • ✗

    Joule und Kilojoule mischen: ; vor dem Teilen alles in derselben Einheit.

  • ✗

    Watt und Kilowatt mischen: , nicht .

  • ✗

    Masse statt Gewichtskraft einsetzen: Hubarbeit ist , nicht .

Prüfungstipp

Wir rechnen mit Taschenrechner und Formelsammlung. Schreib zuerst auf, welche Arbeit gemeint ist (Heben oder Beschleunigen), dann rechne in J und s, erst am Schluss in kJ oder kW.

Schritt 5

Üben

Unendlich viele Aufgaben. Nach drei richtigen in Folge wird es schwerer, bei Fehlern wieder leichter. Hinweise bekommst du schrittweise, nicht sofort die ganze Lösung.

Schritt 6

Prüfungsniveau

Aufgaben mit mehreren Teilaufgaben und Punkten, aufgebaut wie eine Klassenprüfung. Du siehst sie mit einem kostenlosen Konto.

Hilfsmittel: Taschenrechner und Formelsammlung.

3 Aufgaben auf Prüfungsniveau

  • Auf den Aussichtsturm
  • Kran und Auto
  • Rechenzentrum kühlen

Mit einem Gratis-Konto siehst du die Aufgaben. Lösungswege gibt es im Abo.

Gratis-Konto erstellen

Schritt 7

Selbstcheck: Wie sicher bist du?

Sei ehrlich zu dir. Nur so zeigen wir dir, was du als Nächstes üben solltest.

  • Du berechnest Arbeit als Kraft mal Weg, Hubarbeit mit und Beschleunigungsarbeit mit .

  • Du berechnest die Leistung , zum Beispiel beim Treppensteigen, in Watt und Kilowatt.

  • Du erklärst Energieformen und ihre Umwandlungen und zeigst, dass Energie erhalten bleibt.

  • Du berechnest den Wirkungsgrad einer Maschine und erklärst, wo der Rest bleibt.

Dein Stand bei «Arbeit, Leistung und Energie»

0 %

0 von 4 Lernzielen eingeschätzt

Tippe bei jedem Lernziel an, wie sicher du dich fühlst. Dann siehst du hier, was du noch tun kannst.

Mit einem Gratis-Konto wird dein Selbstcheck gespeichert und du (oder deine Eltern) siehst den Fortschritt über alle Themen. Gratis anmelden

Schritt 8

Hängst du irgendwo fest?

Du lernst nicht allein. Frag uns direkt: Antwort von Ugi innert 2 Schultagen. Oder stell deine Frage auf die Themenwand der Live-Fragestunde (jeden zweiten Samstag, 10:00 Uhr, auf Zoom).

Zur Community →

Melde dich gratis an, dann kannst du deine Frage direkt hier stellen. Antwort von Ugi innert 2 Schultagen.