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Lektion 14

Energieformen und Erhaltung

Sechs Energieformen im Alltag, Umwandlungsketten und Kraftwerke, Energieerhaltung als Bilanz, Wärme als «Verlust», Wirkungsgrad einer Kette
PhysikPrüfungsrelevantca. 50 Min.Adaptiver Trainer
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In 30 Sekunden

Du isst ein Müesli, fährst mit dem Velo zur Schule, und am Abend leuchtet das Velolicht. Woher kommt die Energie, wo bleibt sie, und warum musst du morgen trotzdem wieder essen?

Licht

Am Anfang steht die Sonne: Ihr Licht bringt Strahlungsenergie auf die Erde.

Nach dieser Lektion

  • Du nennst sechs Energieformen und findest sie im Alltag.

  • Du schreibst Umwandlungsketten auf, zum Beispiel für ein Wasserkraftwerk oder ein Velolicht.

  • Du zeigst mit einer Bilanz, dass Energie erhalten bleibt, und erklärst, warum Wärme als «Verlust» gilt.

  • Du berechnest den Wirkungsgrad einer Kette aus den Wirkungsgraden ihrer Stufen.

An der Prüfung: Umwandlungsketten und die Energieerhaltung sind typische Erklärfragen, Bilanzen und der Wirkungsgrad einer Kette typische Rechenaufgaben. In der Berufsmaturität Gesundheit und Soziales gehört Physik zur schriftlichen Abschlussprüfung; an der FMS zählen die 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.

Start: 2 m2 m

Zeitlupe: halbes Tempo. Der Ball ist grösser gezeichnet.

Lage, Bewegung und Wärme ergeben zusammen immer dieselbe Summe: Energie geht nicht verloren.

Beispiele

Energie jetzt

9,81J
0,00J
0,00J

9,81J

0

  • Lage, Bewegung und Wärme ergeben zusammen immer dieselbe Summe: Energie geht nicht verloren.

Zeitlupe: halbes Tempo. Der Ball ist grösser gezeichnet.

Aufträge

0 von 3 geschafft

  • Lass den Ball nach dem ersten Aufprall genau hoch springen.

    (offen)
  • Gib dem Ball zu Beginn mehr als Lageenergie.

    (offen)
  • Stell es so ein, dass nach drei Aufprallen etwa die Hälfte (zwischen und ) Wärme ist.

    (offen)
Entdecke:

Schau den Balken zu: Beim Fallen wird Lage- zu Bewegungsenergie, beim Steigen umgekehrt. Bei jedem Aufprall wächst der Balken der Wärme. Die Summe bleibt immer gleich. Mit hüpft der Ball lange, mit liegt er schnell.

Schritt 3

Verstehen

Das Wichtigste auf einen Blick.

1Energieformen im Alltag

EnergieformBeispiel
  • Energie hat viele Formen, gemessen wird sie immer in Joule (J). Man sieht sie nicht, man merkt, was sie bewirkt.
  • Elektrische Energie bringt der Strom zum Gerät, Strahlungsenergie das Licht von Sonne oder Lampe.
  • Chemische Energie ist in Stoffen gespeichert. Beim Verdauen, Verbrennen oder Entladen wird sie frei.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

LageBewegung

Lage: Wasser hoch oben im Stausee. Bewegung: ein fahrendes Velo.

MerkeEine Energie, viele Formen, alle in Joule.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Umwandlungsketten», Schritt 4

2Umwandlungsketten

UmwandlerKette
  • Energie wechselt oft mehrmals die Form. Schreib die Formen der Reihe nach mit Pfeilen auf: eine Umwandlungskette.
  • Jedes Gerät, Kraftwerk und Lebewesen ist ein Umwandler: Eine Form geht hinein, andere kommen heraus, immer auch etwas Wärme.
  • Kraftwerke machen aus der Energie von Wasser, Wind oder Sonne elektrische Energie. Ein Generator arbeitet dabei wie ein Velodynamo.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

Bewegung

Ein Velo fährt: Es hat Bewegungsenergie.

MerkeKette lesen: Was geht hinein, was kommt heraus, wo entsteht Wärme?

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Umwandlungsketten», Schritt 4

3Energie geht nicht verloren

  • Energieerhaltungssatz: Energie entsteht nicht aus nichts und verschwindet nicht. Sie wechselt nur die Form.
  • Zähl darum nach einer Umwandlung alle Formen zusammen: Die Summe ist genau so gross wie vorher. Das ist eine Energiebilanz.
  • Wer «Energie verbraucht», macht daraus eine Form, die er nicht mehr braucht, meistens Wärme.
vorher: elektrisch2000 J

Ein Föhn bezieht in einer Sekunde elektrische Energie.

MerkeSumme vorher = Summe nachher, nur die Formen ändern sich.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Energie geht nicht verloren», Schritt 4

4Warum Wärme «verloren» geht

  • Bei jeder Umwandlung entsteht auch Wärme: durch Reibung, Luftwiderstand und in Kabeln und Motoren.
  • Die Wärme verteilt sich in der Umgebung. Sie ist noch da, aber so verdünnt, dass man sie kaum mehr nutzen kann: Darum heisst sie Verlust.
  • Darum läuft nichts von allein rückwärts: Die warme Luft schiebt ein gebremstes Velo nicht wieder an.
Start

Ein Ball wird losgelassen.

MerkeDie Wärme ist nicht weg, nur nicht mehr nutzbar.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Energie geht nicht verloren», Schritt 4

5Wirkungsgrad einer Kette

KetteWirkungsgrad
  • Der Wirkungsgrad (eta) ist der genutzte Anteil der zugeführten Energie, als Dezimalzahl oder in Prozent.
  • In einer Kette gibt jede Stufe nur ihren Anteil weiter: Die Wirkungsgrade der Stufen werden multipliziert.
  • Jede Stufe macht Wärme. Am Ende kommt weniger an, als die schlechteste Stufe allein weitergäbe.

Wähle eine Zeile: Das Bild zeigt dann diesen Fall.

zugeführt100 %

Am Anfang: der zugeführten Energie.

MerkeWirkungsgrade einer Kette multiplizieren, nie addieren.

Jetzt anwenden: Musterbeispiel «Wirkungsgrad einer Kette», Schritt 4

Im Alltag

Wo dir das ausserhalb der Schule begegnet.

Stausee

Lageenergie

Das Wasser liegt hoch oben im Stausee: Es hat Lageenergie.

Im Stausee ist Lageenergie gespeichert. Fliesst das Wasser durch die Turbine, macht der Generator daraus elektrische Energie, auch nachts und ohne Wind.

Solardach

1000 J Licht pro s

Auf fallen pro Sekunde rund (angenommen).

Auf Dach scheinen mittags rund Licht pro Sekunde. Solarzellen machen daraus etwa elektrische Energie (beides angenommen), der Rest wärmt das Dach.

Velolicht

Bewegung

Das Velo fährt: Bewegungsenergie.

Der Dynamo am Rad macht aus Bewegung elektrische Energie, die Lampe daraus Licht. Bei jeder Stufe entsteht auch Wärme, darum tritt man mit Licht etwas schwerer.

Schritt 4

Musterbeispiele

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

Musterbeispiel

Lea frühstückt ein Müesli und fährt am Abend mit dem Velo heim, der Dynamo speist das Velolicht. a) Welche Energieformen kommen vor? b) Schreib die Umwandlungskette vom Müesli bis zum Licht auf. c) Woher stammt die Energie im Müesli?

Lea isst ein Müesli und fährt später Velo mit Licht.

Tippe oder wische auf der Grafik für den nächsten Schritt.

  1. 1

    a) Formen

    Überlege zuerst selbst: Wie würdest du diesen Schritt machen?

  2. 2

    b) Kette

    …

  3. 3

    c) Ursprung

    …

Typische Fehler

  • ✗

    «Die Energie ist verbraucht»: Energie verschwindet nie, sie wird zu Wärme, die man kaum noch nutzen kann.

  • ✗

    Wirkungsgrade einer Kette addieren oder mitteln: Sie werden multipliziert, , nicht oder .

  • ✗

    Prozente direkt multiplizieren: von ist , nicht .

Prüfungstipp

Schreib bei jeder Kette die Formen mit Pfeilen auf und notier den Umwandler dazu. Bei Zahlen prüfst du am Schluss die Bilanz: Summe vorher = Summe nachher.

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.

2 Aufgaben auf Prüfungsniveau

  • Pumpspeicherkraftwerk
  • Hüpfball und Föhn

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 nennst sechs Energieformen und findest sie im Alltag.

  • Du schreibst Umwandlungsketten auf, zum Beispiel für ein Wasserkraftwerk oder ein Velolicht.

  • Du zeigst mit einer Bilanz, dass Energie erhalten bleibt, und erklärst, warum Wärme als «Verlust» gilt.

  • Du berechnest den Wirkungsgrad einer Kette aus den Wirkungsgraden ihrer Stufen.

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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).

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