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(10) Lampen im Auto und zu Hause)
 
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==Leere Seite==
 
 
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==Aufgaben zum elektrischen Energietransport==
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====2) Wasserkreislauf und Erbsentransport als Modell====
  
==Aufgaben zur Akustik==
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Ergänze in der Tabelle die fehlenden Vergleiche.
====Schallquellen====
+
1) Nenne einige Möglichkeiten Schall zu erzeugen. Was haben alle diese Möglichkeiten gemeinsam?
+
  
2) Wie kann man die Schwingung einer Stimmgabel sichtbar machen?
+
{|class="wikitable"
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!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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elektrischer Stromkreis
  
3) Erkläre mit Text und Bild wie eine Schallplatte funktioniert.
+
!style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Wasserstromkreis
  
4) Was macht man bei einer Pendeluhr, wenn sie ständig vor geht?
+
!style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Personenstromkreis
  
5) Ein Ton hat eine Frequenz von 100 Hz, ein anderer von 500 Hz. Wie unterscheiden sich die beiden Töne, wenn du sie hörst?
+
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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[[Datei:Schaltplan Stromkreis Lämpchen an Spannungsquelle lang.png|200px]]
  
6) Erkläre den Begriff "Amplitude" an einem Beispiel.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
[[Datei:Schaltplan Wasserstromkreis Pumpe Rädchen lang.png|200px]]
  
7) Ein Pendel schwingt mit einer Amplitude von 10cm und einer Periodendauer von 0,5 Sekunden. Erkläre mit Hilfe einer Zeichnung und einem Text was das bedeutet.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|200px]]
  
8) Mit einer verrußten Glasplatte wird die Schwingung einer Stimmgabel aufgezeichnet.
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::Mit welcher Amplitude und mit welcher Frequenz schwingt die Stimmgabel?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
:::[[Datei:Aufgabe Wellenlinien Amplitude Frequenz Ton.png|thumb|407px|none|Die Wellenlinie der Stimmgabel.]]
+
::Danach ändert man den Versuch zweimal ab und erzeugt zwei andere Wellenlininen.
+
::Wie verändert sich der hörbare Ton gegenüber dem ersten Versuch?
+
::Wie hat man wohl die anderen Wellenlinien erzeugt?
+
:::[[Datei:Aufgabe Wellenlinien Amplitude Frequenz Ton1.png|thumb|407px|none|Die erste Veränderung.]]
+
:::[[Datei:Aufgabe Wellenlinien Amplitude Frequenz Ton2.png|thumb|407px|none|Die zweite Veränderung.]]
+
  
9) Ein Lautsprecher erzeugt zunächst einen leisen, hohen Ton. Dann werden die Einstellungen am angeschlossenen Sinusgenerator verändert und der Ton ist lauter. Was wurde verändert?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
  
10) a) Zeichne mit roter Farbe in ein Koordinatensystem die Wellenlinie einer Schwingung mit einer Amplitude von 3cm und einer Periodendauer von 0,2 Sekunden.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:b) Zeichne dann mit blauer Farbe die Wellenline der Schwingung mit doppelter Frequenz aber halber Amplitude ein.
+
Der Personenstromkreis transportiert Erbsen von der Ausgabestelle zur Sammelstelle.
  
11) Auf den Bildern siehst du die Aufzeichnungen verschiedener Klänge und Geräusche. Schreibe darunter wie der Klang / das Geräusch erzeugt worden ist.
+
|-
<gallery widths=200px heights150px  perrow=3 >
+
|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
Bild:Stimmgabel Oszilloskop.jpg|
+
Bild:Knall.jpg|
+
Bild:Stimmgabel Überlagerung.jpg|
+
Bild:U.jpg
+
Bild:A.jpg
+
Bild:E.jpg
+
Bild:I.jpg
+
Bild:O.jpg
+
</gallery>
+
  
====Schallausbreitung====
+
|style=" border-style: solid; border-width: 4px "|
'''1)''' Warum kann man im Weltall nichts hören? Beschreibe den Versuch, den wir dazu im Unterricht gemacht haben.
+
  
'''2)''' Dein Nachbar spielt drei Stockwerke über dir Klavier. Du hörst es laut und deutlich, auch wenn die Fenster geschlossen sind. Woran liegt das? Auch dazu haben wir ein Experiment gemacht. Beschreibe es.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Die Personen laufen im Kreis, niemand geht verloren.
  
'''3)''' Mache mehrere Zeichnungen von einer Spiralfeder, die zeigen, wie sich der Schall ausbreitet.
+
|-
 +
|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Das elektrische Potential gibt an, wieviel Energie pro Ladung transportiert wird.  
  
'''4)''' Der Schall hat eine Geschwindigkeit von ca. 340 m/s. Ist es dabei egal, ob der Schall laut/leise hoch oder tief ist? Woher weißt du das?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
  
'''5)''' Zehn Sekunden nachdem du den Blitz siehst, kannst du den Donner hören. Wie weit ist das Gewitter entfernt? Rechne einmal mit der einfachen Gewitterregel und einmal mit der Schallgeschwindigkeit von 340 m/s.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
  
'''6)''' Ein Gewitter ist zwei Kilometer entfernt. Welche Zeit vergeht zwischen dem Blitz und dem Donner?
+
|-
 +
|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
  
'''7)''' Zur Messung der Schallgeschwindigkeit erzeugt eine Schülerin mit einer Startklappe einen lauten Knall.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:In einer Entfernung von 200m stehen 16 Schülerinnen und Schüler, die vorher alle ihre Stoppuhren gleichzeitig gestartet haben. die Hälfte steht mit dem Gesicht zur Klappe und stoppt die Uhr, wenn sie sehen, wie sich die Klappe schließt. Die andere Hälfte kann die Klappe nicht sehen und stoppt die Uhr, wenn sie den Knall hören.
+
Die Pumpe erzeugt am Ausgang einen hohen Druck und am Eingang einen geringen Druck.
Zeiten Klappe schließen sehen (in sec): 10,52 10,39 10,50 10,58 10,43 10,59 10,48 10,54
+
Zeiten Knall hören (in sec):            11,15 11,08 11,09 11,20 11,05 11,12 11,08 11,11
+
:Bestimme daraus den gemessenen Wert für die Schallgeschwindigkeit.  
+
  
'''8)''' Bei einer Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem Echo starten sechs Schüler:innen ihre Uhren gleichzeitig. Dann wird mit einer Klappe ein Knall erzeugt. Drei stoppen ihre Uhren, wenn sie sehen, wie der Knall erzeugt wird (sie hören ihn auch sofort). Drei stoppen ihre Uhren, wenn sie das Echo hören. Man folgende Messwerte:
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
Strecke vom Ausgangspunkt bis zur Wand: 55m
+
Zeiten Knall hören (in sec): 5,34 5,48 5,25
+
Zeiten Echo hören (in sec):  5,62 5,78 5,64
+
::Bestimme daraus den gemessenen Wert für die Schallgeschwindigkeit.
+
  
====Ohr und Lärm====
+
|-
#Zeichne ein menschliches Ohr im Querschnitt und benenne die einzelnen Teile.
+
|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
#Erkläre wie das Hören des Ohres funktioniert.
+
 
#Schall der laut ist, muss nicht als Lärm empfunden werden und umgekehrt kann ganz leiser Schall sehr störend sein. Finde passende  Beispielsituationen.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
#Antonia benutzt eine spezielle Pfeife, um ihren Hund zu rufen. Wenn sie hineinpustet hört sie nur ein leises Pfeifen, dann kommt er gleich angerannt, auch wenn er weit weg war. Antonias Opa dagegen hat von der Pfeife überhaupt nichts gehört. Erkläre!
+
Der Druckunterschied treibt den Wasserstrom an. Das Wasser fließt vom hohen Druck zum niedrigen Druck.
#Ein Schallpegelmessgerät misst die Lautstärke in einem Klassenzimmer zu 60db. Erkläre die Bedeutung des Messwertes, indem du erklärst was 0db sind und wieviel mal lauter 60db sind.
+
 
#Ab welcher Lautstärke können Hörschäden auftreten?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
#Warum ist es so leise, wenn Schnee gefallen ist?
+
 
#Mache je eine Zeichnung wie sich der Schall von einem sprechendem Menschen in einem Klassenzimmer ausbreitet:
+
|-
##Ein Zimmer ohne Schalldämmung.
+
|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
##Ein Zimmer mit Schalldämmung an der Decke.
+
 
##Ein Zimmer mit Schalldämmung an Decke und einer Wand.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
#Erkläre, warum man sich in einem Zimmer ohne Schalldämmung so schlecht unterhalten kann.
+
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Bei einer Verzweigung behalten alle die Erbsen in der Hand.
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|-
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|valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Bei einem Lämpchen (oder einem anderem Widerstand) kann das Potential abfallen.
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
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|}
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====1) Energiehunger====
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Alle Lebewesen und alle Maschinen brauchen Energie.
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Ein Mensch braucht ohne jede körperliche Anstrengung etwa 7 MegaJoule Energie am Tag. Das nennt man auch den "Grundumsatz". Bei leichter Anstrengung etwa 10-13 MegaJoule pro Tag. Die genaue Energiemenge hängt vom Körpergewicht, vom Geschlecht und weiteren Faktoren ab.
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<br>Körperlich schwer arbeitende Menschen brauchen bis zu 20 MegaJoule pro Tag und Leistungssportler an einzelnen Tagen bis zu 50 MegaJoule Energie pro Tag!
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Mit diesem "[https://projekte.uni-hohenheim.de/wwwin140/info/interaktives/energiebed.htm Energiebedarfsrechner]" der Uni Hohenheim kannst du dir deinen persönlichen Energiebedarf berechnen.
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*Berechne den Energiebedarf des Menschen in Joule pro Sekunde (Watt) und vergleiche mit diesen Maschinen:
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#Laptop: 30 Watt
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#Desktop: 120 Watt
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#Auto: 83 KiloWatt<ref>Das entspricht einem Verbrauch von 8 Litern Benzin pro 100 km bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Damit ist nicht die Leistung gemeint, die zum Antrieb des Autos genutzt wird, sondern die zum Betrieb des Motors benötigt wird. Von der Energie des Benzins werden nur ca. 25% zum Antrieb genutzt, der Rest geht vor allem mit der Abwärme verloren.</ref>
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====3) Erbsen- und Energietransport====
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Der "[[Elektrischer_Energietransport:_Beladungsmaß_und_Leistung#Versuch:_Kichererbsentransport|Erbsentransport]]" ist ein Modell für den Transport von Energie durch den elektrischen Stromkreis. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.
 +
 
 +
Ergänze die fehlenden Werte.
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 +
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>beladung
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Zeit-<br>spanne
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Personen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>anzahl
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Personen-<br>stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>stromstärke
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>3\,\rm \frac{E}{P}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>10\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>5\,\rm P</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>6\,\rm \frac{E}{P}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>20\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,5}\,\rm \frac{P}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>60\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>2\,\rm \frac{P}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>8\,\rm \frac{E}{s}</math>
 +
|}
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 +
 
 +
 
 +
 
 +
Bei einem [[Elektrischer_Energietransport:_Beladungsmaß_und_Leistung#Das_Potential_als_Energiebeladungsmaß_und_die_elektrische_Leistung|elektrischen Stromkreis]] hat man den Energietransport untersucht, indem die Stromstärke, die Energiestromstärke (Leistung) oder die Spannung (der Potentialunterschied) gemessen wurde. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.  
 +
 
 +
Ergänze die fehlenden Werte.
 +
 
 +
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>beladung<br>(Spannung)
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Zeit-<br>spanne
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Ladungs-<br>menge
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>menge
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
elektrische-<br>Stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>3\,\rm \frac{J}{C} = 3\,\rm V</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>10\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>5\,\rm C</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>6\,\rm \frac{J}{C} = 6\,\rm V</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>20\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,}5\,\rm \frac{C}{s} = 0{,}5\,\rm A</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
 
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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<math>60\,\rm s</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>2\,\rm \frac{C}{s} = 2\,\rm A</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>8\,\rm \frac{J}{s} = 8\,\rm W</math>
 +
|}
 +
 
 +
====4) Die Leistung einer Lampe====
 +
[[Datei:Aufgaben PUI einfacher Stromkreis.png|300px|right]]
 +
Eine Lampe wird an eine Autobatterie angeschlossen. Mit einem Voltmeter bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V. Das Ampèremeter zeigt eine Stromstärke von 2A an.
 +
<br>'''a)''' Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Hinweis: An einem Ampèremeter wird fast keine Energie abgegeben, das Potential ändert sich nicht. Durch ein Voltmeter kann fast kein Strom fließen.)
 +
<br>'''b)''' Gib die Stromstärke durch die Batterie und durch die Lampe an.
 +
<br>'''c)''' Berechne die Leistung der Batterie und der Lampe, also wieviel Joule sie pro Sekunde umsetzen.
 +
<br>'''d)''' Man läßt die Lampe eine Stunde lang brennen. Berechne wieviel Coulomb Ladung durch die Lampe geflossen ist und wieviel Joule Energie an die Lampe abgegeben wurde.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 
 +
====5) Eine Lichterkette====
 +
[[Datei:Aufgaben PUI Lichterkette.png|450px|right]]
 +
Diese Weihnachtsbaumbeleuchtung hat 10 Lampen und wird an die Steckdose angeschlossen. Parallel zur Steckdose ist ein Voltmeter eingebaut, es zeit eine Spannung von 230V an. In Reihe mit den Lampen ist noch ein Ampèremeter eingebaut, es zeigt eine Stromstärke von 200mA an.
 +
<br>'''a)''' Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Hinweis: An einem Ampèremeter wird fast keine Energie abgegeben, das Potential ändert sich nicht. Durch ein Voltmeter kann fast kein Strom fließen.)
 +
<br>'''b)''' Gib die Stromstärke an den einzelnen Lampen an.
 +
<br>'''c)''' Berechne die Leistung einer einzelnen Lampe und aller Lampen zusammen.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 
 +
====6) Lampe und Wasserkocher an der Steckdose====
 +
[[Datei:Aufgaben PUI Lampe Wasserkocher parallel.png|300px|right]]
 +
[[Datei:Phasenprüfer Spannungsprüfer Steckdose.jpg|200px|right|Mit einem "Phasenprüfer" kann man den Anschluss finden, der auf dem Potential von 230V liegt. Der andere Anschluss ist der Nulleiter, er liegt auf Null Volt.]]
 +
An eine Mehrfachsteckdose wird eine Lampe und ein Wasserkocher angeschlossen. Die Lampe hat eine Leistung von 10 Watt, der Wasserkocher von 1000 Watt, also ein Kilowatt.
 +
<br>'''a)''' Berechne wieviel Joule Energie die Lampe und der Wasserkocher in einer Stunde benötigen.
 +
<br>'''b)''' Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der untere Anschluss auf Null Volt liegen, man nennt ihn auch den Nulleiter. Der obere Anschluss liegt auf 230V, man nennt ihn auch "die Phase".<ref>An der Steckdose liegt genau genommen eine Wechselspannung an. Das Potential an der Phase schwankt zwischen +325V und -325V. Im Mittel ergibt ein Potential von konstant 230V die gleiche Leistung.</ref>
 +
<br>'''c)''' Berechne die Stromstärke durch die Lampe und durch den Wasserkocher. Gib an welche Stromstärke die Ampèremeter anzeigen.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 
 +
====7) Parallelschaltung von Lämpchen====
 +
[[Datei:Aufgaben PUI ein und zwei Lämpchen parallel.png|350px|right]]
 +
Eine Lampe wird parallel zu zwei in Reihe geschalteten Lampen an eine Autobatterie angeschlossen. Mit einem Voltmeter bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V. Die Ampèremeter zeigen eine Stromstärke von 200mA und 100mA an.
 +
<br>'''a)''' Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Kannst du nun erklären, warum durch die einzelne Lampe mehr Strom fließt?)
 +
<br>'''b)''' Gib die Stromstärke an allen Lampen und durch die Batterie an.
 +
<br>'''c)''' Berechne die Leistung der drei Lampen und der Batterie.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 
 +
====8) Reihen- und Parallelschaltung von Lämpchen====
 +
[[Datei:Aufgaben PUI ein und zwei Lämpchen in Reihe.png|350px|right]]
 +
Eine Lampe wird in Reihe zu zwei parallel geschalteten, identischen Lampen an eine Autobatterie angeschlossen. Mit zwei Voltmetern bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V und an der einzelnen Lampe zu 8V. Das Ampèremeter zeigt eine Stromstärke von 250mA an.
 +
<br>'''a)''' Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen.
 +
<br>'''b)''' Gib die Stromstärke an allen Lampen und durch die Batterie an.
 +
<br>'''c)''' Berechne die Leistung der drei Lampen und der Batterie.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 
 +
====9) Die Stromrechnung====
 +
[[Datei:Stromrechnung_Ausschnitt.jpg|thumb|Ausschnitt einer Stromrechnung.]]
 +
Das Elektrizitätswerk liefert Energie mit dem elektrischen Strom nach Hause. Dafür läßt sich der Betreiber natürlich bezahlen.
 +
 
 +
Eine Lampe hat eine Leistung von 11 Watt.
 +
:'''a)''' Wieviel Energie benötigt sie in der Sekunde, in der Minute und in einer Stunde?
 +
 
 +
In der Stromrechnung wird die Energiemenge nicht in Joule, sondern in "KiloWattStunden" (kWh) angegeben. Mit einer KiloWattStunde Energie kann man ein elektrisches Gerät mit einer Leistung von 1000 Watt eine Stunde lang betreiben.
 +
:'''b)''' Wieviel Joule entspricht einer KiloWattStunde?
 +
Die für ein Gerät benötigte Energie in KiloWattStunden kann man ganz einfach ausrechnen. Wenn man zum Beispiel ein Staubsauger mit einer Leistung von 1200 Watt 30 Minuten lang betreiben will, rechnet man:
 +
:<math>\text{Energie} = \text{Leistung (in kW)} \cdot \text{Zeit (in h)}</math>
 +
:<math>\text{Energie} = 1{,}2\,\rm kW \cdot 0{,}5\,\rm h = 0{,}6\,\rm kWh</math>
 +
In dieser Tabelle hat Angela aufgeschrieben, welche Geräte sie am Tag wie lange benutzt. Ihr Elektrizitätswerk berechnet ihr 27 Cent pro KiloWattStunde. Berechne für sie ihren jährlichen Energiebedarf und die Kosten.
 +
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Gerät
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Leistung
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Zeitdauer
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energiemenge (in kWh)
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Kosten (in €)
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Waschmaschine<br>([https://www.stromverbrauchinfo.de/stromverbrauch-waschmaschinen.php Genaue Werte hier!])
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
1000 W
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
1 h
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Elektroherd
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
2500 W
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
1 h
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Föhn
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
1500 W
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
15 min
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Radio
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
10 W
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
2 h
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
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Computer
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Einige Lampen
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Fernseher
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====10) Lampen im Auto und zu Hause====
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LED-Lampen haben zu Hause und in Automobilen Einzug gehalten. Ein 12-Watt-LED-Autoscheinwerfer ist genauso hell wie eine 12-Watt-LED-Lampe zu Hause. Die Elektrik im Auto wird mit einer Spannung von 12 Volt angetrieben, zu Hause beträgt die Netzspannung 230 Volt.
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:Vergleiche die Stromstärken der beiden Lampen.
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====11) Sicherungen====
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[[Datei:Sicherungskasten.jpg|thumb|120px|Sicherungskasten einer Wohnung]]
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In Wohnungen ist jeder Raum über eine Sicherung an das Stromnetz angeschlossen. Die maximale Stromstärke beträgt häufig 16 Ampère.
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:'''a)''' Welche dieser Geräte kann man ''gleichzeitig'' in der Küche betreiben?
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:# Wasserkocher 2000W
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:# Staubsauger 2400W
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:# Radio 20W
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:# Lampe 10W
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:# Mixer 1600W
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[[Datei:Sicherungskasten_Kfz.jpg|thumb|120px||Sicherungskasten eines Autos. Die Sicherungen sind mit der maximalen Stromstärke in Ampère beschriftet.]]
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Auch in Autos sind Sicherungen verbaut, um die Kabel vor Überhitzung zu schützen. Anders als in der Wohnung sind dies einfache Schmelzsicherungen, die bei zu großer Stromstärke einfach durchschmelzen und dann ersetzt werden müssen.
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Beim Starten wird der Verbrennungsmotor von einem Elektromotor, dem "Anlasser", gedreht. Der Anlasser hat eine Leistung zwischen einem und zwei KiloWatt und bekommt seine Energie aus der Auto-Batterie, die eine Spannung von 12 Volt hat.
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:'''b)''' Der Anlasser ist ohne Sicherung direkt an die Batterie angeschlossen. Warum wohl?
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====12) Batterien und Akkus als Energiespeicher====
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[[Datei:Auto-Starterbatterie.jpg|thumb|Ein Bleiakkumulator für's Auto ("Auto-Batterie")]]
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[[Datei:Handyakku_schräg.jpg|thumb|Ein Lithium-Ionen-Akku für's Handy.]]
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Aus Versehen läßt Peter das Licht über Nacht an seinem geparkten Auto an.
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:'''a)''' Warum kann das zu einem Problem werden?
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An Peters Auto sind zwei Frontscheinwerfer mit je 36 Watt und zwei Rücklichter mit je 18 Watt.
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:'''b)''' Wieviel Strom fließt durch die Lampen und wieviel durch die Batterie?
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Die Frage ist nun, ob am nächsten Morgen die Batterie "leer" ist, also keine Energie mehr enthält.
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Auf Batterien ist angegeben "wie groß" sie sind. Bei Peters Autobatterie findet sich zum Beispiel die Aufschrift 12V/36Ah. Das bedeutet, dass die Batterie 36 Stunden lang einen Strom der Stärke 1 Ampère antreiben kann. Oder 18 Stunden lang einen Strom der Stärke 2 Ampère:
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:<math>36\,\rm Ah = 36\,\rm h \cdot 1\,\rm A = 18\,\rm h \cdot 2\,\rm A</math>
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:'''c)''' Wie lange kann man mit dieser Batterie die beiden Scheinwerfer und die Rückleuchten gleichzeitig betreiben?
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:'''d)''' Wieviel Coulomb Ladung hat die Batterie dabei verschoben?
 +
:'''e)''' Berechne wieviel Energie die Batterie dabei der Lampe geliefert hat. (In Wattstunden und in Joule.)
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Auf Batterien und Akkus findet man außer der Betriebsspannung auch die Angabe der sogenannten "Kapazität". Diese gibt an, wieviel Ladung die Batterie verschieben kann:
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{|
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|1)Smartphone:
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|3,7V / 1300mAh
 +
|-
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|2) Laptop:
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|10,95V / 7100mAh
 +
|-
 +
|3) Bohrschrauber:
 +
|12V / 1200mAh
 +
|-
 +
|4) AA-Mignon:
 +
|1,2V / 2000mAh
 +
|-
 +
|5) älteres Motorrad:
 +
|6V / 4Ah
 +
|}
 +
:'''g)''' Berechne, wieviel Ladung die Batterien anschieben können (in Coulomb) und wieviel Energie dabei transportiert wird (in Wattstunden und Joule).
 +
Ein Liter Benzin enthält ca. 30 MegaJoule Energie und in den Tank eines Autos passen ca. 50 Liter.
 +
:'''h)''' Wieviele Laptop-Akkus können den vollen Benzintank ersetzen?
 +
 
 +
====13) Teure und billige Energie====
 +
Energie kann man mit ganz verschiedenen Energieträgern kaufen. Die Heizung zum Beispiel kann man mit Heizöl, Gas, Holz-Pellets, elektrisch oder mit Fernwärme betreiben. Das Auto bekommt die Energie mit Benzin und eine Taschenlampe mit einer Batterie. Mit welchem Energieträger ist die Energie denn am billigsten?
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Energieträger
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Kosten pro Träger
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Benzin
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Heizöl
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1 Liter
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0,50 €
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35 MJ/l
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Erdgas<br>(Haushalt)
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Holz-Pellets
 +
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1000 kg
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230 €
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14 MJ/kg
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 +
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|-
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"Strom"
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100.000 Coulomb
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1,73 €
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 +
230 J/C
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|-
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Batterie
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AA-Mignon 2300mAh
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0,50 €
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1,5 V
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==Fußnoten==
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<references />

Aktuelle Version vom 6. Mai 2025, 23:46 Uhr

Aufgaben zum elektrischen Energietransport

2) Wasserkreislauf und Erbsentransport als Modell

Ergänze in der Tabelle die fehlenden Vergleiche.

elektrischer Stromkreis

Wasserstromkreis

Personenstromkreis

Schaltplan Stromkreis Lämpchen an Spannungsquelle lang.png

Schaltplan Wasserstromkreis Pumpe Rädchen lang.png

Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png

Der Personenstromkreis transportiert Erbsen von der Ausgabestelle zur Sammelstelle.

Die Personen laufen im Kreis, niemand geht verloren.

Das elektrische Potential gibt an, wieviel Energie pro Ladung transportiert wird.

Die Pumpe erzeugt am Ausgang einen hohen Druck und am Eingang einen geringen Druck.

Der Druckunterschied treibt den Wasserstrom an. Das Wasser fließt vom hohen Druck zum niedrigen Druck.

Bei einer Verzweigung behalten alle die Erbsen in der Hand.

Bei einem Lämpchen (oder einem anderem Widerstand) kann das Potential abfallen.

1) Energiehunger

Alle Lebewesen und alle Maschinen brauchen Energie.

Ein Mensch braucht ohne jede körperliche Anstrengung etwa 7 MegaJoule Energie am Tag. Das nennt man auch den "Grundumsatz". Bei leichter Anstrengung etwa 10-13 MegaJoule pro Tag. Die genaue Energiemenge hängt vom Körpergewicht, vom Geschlecht und weiteren Faktoren ab.
Körperlich schwer arbeitende Menschen brauchen bis zu 20 MegaJoule pro Tag und Leistungssportler an einzelnen Tagen bis zu 50 MegaJoule Energie pro Tag!

Mit diesem "Energiebedarfsrechner" der Uni Hohenheim kannst du dir deinen persönlichen Energiebedarf berechnen.

  • Berechne den Energiebedarf des Menschen in Joule pro Sekunde (Watt) und vergleiche mit diesen Maschinen:
  1. Laptop: 30 Watt
  2. Desktop: 120 Watt
  3. Auto: 83 KiloWatt[1]



3) Erbsen- und Energietransport

Der "Erbsentransport" ist ein Modell für den Transport von Energie durch den elektrischen Stromkreis. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.

Ergänze die fehlenden Werte.

Erbsen-
beladung

Zeit-
spanne

Personen-
anzahl

Erbsen-
anzahl

Personen-
stromstärke

Erbsen-
stromstärke

3EP

10s

5P

6EP

20s

0,5Ps

60s

2Ps

8Es



Bei einem elektrischen Stromkreis hat man den Energietransport untersucht, indem die Stromstärke, die Energiestromstärke (Leistung) oder die Spannung (der Potentialunterschied) gemessen wurde. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.

Ergänze die fehlenden Werte.

Energie-
beladung
(Spannung)

Zeit-
spanne

Ladungs-
menge

Energie-
menge

elektrische-
Stromstärke

Energie-
stromstärke
(Leistung)

3JC=3V

10s

5C

6JC=6V

20s

0,5Cs=0,5A

60s

2Cs=2A

8Js=8W

4) Die Leistung einer Lampe

Aufgaben PUI einfacher Stromkreis.png

Eine Lampe wird an eine Autobatterie angeschlossen. Mit einem Voltmeter bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V. Das Ampèremeter zeigt eine Stromstärke von 2A an.
a) Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Hinweis: An einem Ampèremeter wird fast keine Energie abgegeben, das Potential ändert sich nicht. Durch ein Voltmeter kann fast kein Strom fließen.)
b) Gib die Stromstärke durch die Batterie und durch die Lampe an.
c) Berechne die Leistung der Batterie und der Lampe, also wieviel Joule sie pro Sekunde umsetzen.
d) Man läßt die Lampe eine Stunde lang brennen. Berechne wieviel Coulomb Ladung durch die Lampe geflossen ist und wieviel Joule Energie an die Lampe abgegeben wurde.

5) Eine Lichterkette

Aufgaben PUI Lichterkette.png

Diese Weihnachtsbaumbeleuchtung hat 10 Lampen und wird an die Steckdose angeschlossen. Parallel zur Steckdose ist ein Voltmeter eingebaut, es zeit eine Spannung von 230V an. In Reihe mit den Lampen ist noch ein Ampèremeter eingebaut, es zeigt eine Stromstärke von 200mA an.
a) Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Hinweis: An einem Ampèremeter wird fast keine Energie abgegeben, das Potential ändert sich nicht. Durch ein Voltmeter kann fast kein Strom fließen.)
b) Gib die Stromstärke an den einzelnen Lampen an.
c) Berechne die Leistung einer einzelnen Lampe und aller Lampen zusammen.

6) Lampe und Wasserkocher an der Steckdose

Aufgaben PUI Lampe Wasserkocher parallel.png
Mit einem "Phasenprüfer" kann man den Anschluss finden, der auf dem Potential von 230V liegt. Der andere Anschluss ist der Nulleiter, er liegt auf Null Volt.

An eine Mehrfachsteckdose wird eine Lampe und ein Wasserkocher angeschlossen. Die Lampe hat eine Leistung von 10 Watt, der Wasserkocher von 1000 Watt, also ein Kilowatt.
a) Berechne wieviel Joule Energie die Lampe und der Wasserkocher in einer Stunde benötigen.
b) Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der untere Anschluss auf Null Volt liegen, man nennt ihn auch den Nulleiter. Der obere Anschluss liegt auf 230V, man nennt ihn auch "die Phase".[2]
c) Berechne die Stromstärke durch die Lampe und durch den Wasserkocher. Gib an welche Stromstärke die Ampèremeter anzeigen.

7) Parallelschaltung von Lämpchen

Aufgaben PUI ein und zwei Lämpchen parallel.png

Eine Lampe wird parallel zu zwei in Reihe geschalteten Lampen an eine Autobatterie angeschlossen. Mit einem Voltmeter bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V. Die Ampèremeter zeigen eine Stromstärke von 200mA und 100mA an.
a) Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen. (Kannst du nun erklären, warum durch die einzelne Lampe mehr Strom fließt?)
b) Gib die Stromstärke an allen Lampen und durch die Batterie an.
c) Berechne die Leistung der drei Lampen und der Batterie.

8) Reihen- und Parallelschaltung von Lämpchen

Aufgaben PUI ein und zwei Lämpchen in Reihe.png

Eine Lampe wird in Reihe zu zwei parallel geschalteten, identischen Lampen an eine Autobatterie angeschlossen. Mit zwei Voltmetern bestimmt man den Potentialunterschied (Spannung) an der Batterie zu 12V und an der einzelnen Lampe zu 8V. Das Ampèremeter zeigt eine Stromstärke von 250mA an.
a) Kennzeichne die Potentialgebiete farbig und schreibe das Potential in Volt dazu. Dabei soll der Minuspol auf 0 Volt liegen.
b) Gib die Stromstärke an allen Lampen und durch die Batterie an.
c) Berechne die Leistung der drei Lampen und der Batterie.

9) Die Stromrechnung

Ausschnitt einer Stromrechnung.

Das Elektrizitätswerk liefert Energie mit dem elektrischen Strom nach Hause. Dafür läßt sich der Betreiber natürlich bezahlen.

Eine Lampe hat eine Leistung von 11 Watt.

a) Wieviel Energie benötigt sie in der Sekunde, in der Minute und in einer Stunde?

In der Stromrechnung wird die Energiemenge nicht in Joule, sondern in "KiloWattStunden" (kWh) angegeben. Mit einer KiloWattStunde Energie kann man ein elektrisches Gerät mit einer Leistung von 1000 Watt eine Stunde lang betreiben.

b) Wieviel Joule entspricht einer KiloWattStunde?

Die für ein Gerät benötigte Energie in KiloWattStunden kann man ganz einfach ausrechnen. Wenn man zum Beispiel ein Staubsauger mit einer Leistung von 1200 Watt 30 Minuten lang betreiben will, rechnet man:

Energie=Leistung (in kW)Zeit (in h)
Energie=1,2kW0,5h=0,6kWh

In dieser Tabelle hat Angela aufgeschrieben, welche Geräte sie am Tag wie lange benutzt. Ihr Elektrizitätswerk berechnet ihr 27 Cent pro KiloWattStunde. Berechne für sie ihren jährlichen Energiebedarf und die Kosten.

Gerät

Leistung

Zeitdauer

Energiemenge (in kWh)

Kosten (in €)

Waschmaschine
(Genaue Werte hier!)

1000 W

1 h

Elektroherd

2500 W

1 h

Föhn

1500 W

15 min

Radio

10 W

2 h

Computer

80 W

3 h

Einige Lampen

40 W

3 h

Fernseher

80 W

2 h

10) Lampen im Auto und zu Hause

LED-Lampen haben zu Hause und in Automobilen Einzug gehalten. Ein 12-Watt-LED-Autoscheinwerfer ist genauso hell wie eine 12-Watt-LED-Lampe zu Hause. Die Elektrik im Auto wird mit einer Spannung von 12 Volt angetrieben, zu Hause beträgt die Netzspannung 230 Volt.

Vergleiche die Stromstärken der beiden Lampen.

11) Sicherungen

Sicherungskasten einer Wohnung

In Wohnungen ist jeder Raum über eine Sicherung an das Stromnetz angeschlossen. Die maximale Stromstärke beträgt häufig 16 Ampère.

a) Welche dieser Geräte kann man gleichzeitig in der Küche betreiben?
  1. Wasserkocher 2000W
  2. Staubsauger 2400W
  3. Radio 20W
  4. Lampe 10W
  5. Mixer 1600W
Sicherungskasten eines Autos. Die Sicherungen sind mit der maximalen Stromstärke in Ampère beschriftet.

Auch in Autos sind Sicherungen verbaut, um die Kabel vor Überhitzung zu schützen. Anders als in der Wohnung sind dies einfache Schmelzsicherungen, die bei zu großer Stromstärke einfach durchschmelzen und dann ersetzt werden müssen.

Beim Starten wird der Verbrennungsmotor von einem Elektromotor, dem "Anlasser", gedreht. Der Anlasser hat eine Leistung zwischen einem und zwei KiloWatt und bekommt seine Energie aus der Auto-Batterie, die eine Spannung von 12 Volt hat.

b) Der Anlasser ist ohne Sicherung direkt an die Batterie angeschlossen. Warum wohl?

12) Batterien und Akkus als Energiespeicher

Ein Bleiakkumulator für's Auto ("Auto-Batterie")
Ein Lithium-Ionen-Akku für's Handy.

Aus Versehen läßt Peter das Licht über Nacht an seinem geparkten Auto an.

a) Warum kann das zu einem Problem werden?

An Peters Auto sind zwei Frontscheinwerfer mit je 36 Watt und zwei Rücklichter mit je 18 Watt.

b) Wieviel Strom fließt durch die Lampen und wieviel durch die Batterie?

Die Frage ist nun, ob am nächsten Morgen die Batterie "leer" ist, also keine Energie mehr enthält.

Auf Batterien ist angegeben "wie groß" sie sind. Bei Peters Autobatterie findet sich zum Beispiel die Aufschrift 12V/36Ah. Das bedeutet, dass die Batterie 36 Stunden lang einen Strom der Stärke 1 Ampère antreiben kann. Oder 18 Stunden lang einen Strom der Stärke 2 Ampère:

36Ah=36h1A=18h2A
c) Wie lange kann man mit dieser Batterie die beiden Scheinwerfer und die Rückleuchten gleichzeitig betreiben?
d) Wieviel Coulomb Ladung hat die Batterie dabei verschoben?
e) Berechne wieviel Energie die Batterie dabei der Lampe geliefert hat. (In Wattstunden und in Joule.)

Auf Batterien und Akkus findet man außer der Betriebsspannung auch die Angabe der sogenannten "Kapazität". Diese gibt an, wieviel Ladung die Batterie verschieben kann:

1)Smartphone: 3,7V / 1300mAh
2) Laptop: 10,95V / 7100mAh
3) Bohrschrauber: 12V / 1200mAh
4) AA-Mignon: 1,2V / 2000mAh
5) älteres Motorrad: 6V / 4Ah
g) Berechne, wieviel Ladung die Batterien anschieben können (in Coulomb) und wieviel Energie dabei transportiert wird (in Wattstunden und Joule).

Ein Liter Benzin enthält ca. 30 MegaJoule Energie und in den Tank eines Autos passen ca. 50 Liter.

h) Wieviele Laptop-Akkus können den vollen Benzintank ersetzen?

13) Teure und billige Energie

Energie kann man mit ganz verschiedenen Energieträgern kaufen. Die Heizung zum Beispiel kann man mit Heizöl, Gas, Holz-Pellets, elektrisch oder mit Fernwärme betreiben. Das Auto bekommt die Energie mit Benzin und eine Taschenlampe mit einer Batterie. Mit welchem Energieträger ist die Energie denn am billigsten?

Energieträger

Trägermenge

Kosten pro Träger

Energiebeladung
(Heizwert)

Kosten pro Energie
(in Cent/MJ)

Kosten pro Energie
(in Cent/kWh)

Benzin

1 Liter

1,30 €

30 MJ/l

Heizöl

1 Liter

0,50 €

35 MJ/l

Erdgas
(Haushalt)

1 m3

0,66 €

40 MJ/m3

Holz-Pellets

1000 kg

230 €

14 MJ/kg

"Strom"

100.000 Coulomb

1,73 €

230 J/C

Batterie

AA-Mignon 2300mAh

0,50 €

1,5 V

Fußnoten

  1. Hochspringen Das entspricht einem Verbrauch von 8 Litern Benzin pro 100 km bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Damit ist nicht die Leistung gemeint, die zum Antrieb des Autos genutzt wird, sondern die zum Betrieb des Motors benötigt wird. Von der Energie des Benzins werden nur ca. 25% zum Antrieb genutzt, der Rest geht vor allem mit der Abwärme verloren.
  2. Hochspringen An der Steckdose liegt genau genommen eine Wechselspannung an. Das Potential an der Phase schwankt zwischen +325V und -325V. Im Mittel ergibt ein Potential von konstant 230V die gleiche Leistung.