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'''3) Viele verschiedene Energieumlader'''
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=Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft (goldene Regel)=
  
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In [[Media: Energieumlader-Tabelle_teilausgefüllt_als_Aufgabe.pdf|dieser Tabelle]] sind viele Energieumlader aufgeführt. Auf der linken Seite sieht man, mit welchem Träger sie ihre Energie bekommen und oben kann man ablesen, mit welchem Träger sie die Energie wieder abgeben. Ein Baum bekommt seine Energie mit dem Licht und speichert sie in seinem Holz. Ein Ofen wiederum kann seine Energie mit Holz bekommen und sie mit der warmen Luft wieder abgeben.
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===Hochheben===
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[[Datei:Flaschenzug_5Seile_ohneUmlenkrolle.png|thumb]]
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Michael hebt eine 10kg schwere Kiste auf einen ein Meter hohen Tisch. Maria nimmt sich ein zwei Meter langes Brett und schiebt die Kiste auf einem kleinen Wagen nach oben und Anastasia hebt die Kiste mit einem Flaschenzug hoch (Siehe Bild).
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* Mit welcher Kraft müssen sie jeweils ziehen?
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* Wieviel Energie brauchen sie jeweils dazu?
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<br style="clear: both" />
  
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*Ergänze die farbig markierten Lücken mit geeigneten Energieumladern.
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===Nach Oben===
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[[File:Schauinsland von Freiburg.jpg|thumb|Schauinsland von Freiburg]]
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Um auf den Schauinsland zu kommen, muss man ca. 1000 Höhenmeter überwinden. Wieviel Energie ist wohl dazu nötig? Reicht es, wenn du ein trockenes Brötchen isst? Das enthält ungefähr 1000kJ (=1000000J) Energie.
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* Wieviel Energie braucht man um dich 1000m hochzuheben?
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Die Energie des Brötchens wird nur zu 1/4 genutzt. Die restlichen 3/4 der Energie werden benutzt, um deinen Körper zu erwärmen.
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* Wieviele Brötchen musst du essen, um auf den Schauinsland steigen zu können?
  
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'''4) Energieumladerketten'''
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===Zange===
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[[Datei:Zange.jpg|thumb]]
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Bei einer Kneifzange ist die Schneide ca. 1,5 cm vom Gelenk entfernt und der Griff ca. 9cm. Drückt man den Griff um 6mm zusammen, so bewegt sich die Schneide nur um 1mm. Um einen Draht durchzuschneiden ist am Griff eine Kraft von 75 Newton nötig.
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*Mit welcher Kraft drückt die Schneide auf den Draht?
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*Was für einen Vorteil bietet  es den Draht möglichst weit in die Schneide hineinzuschieben und den Griff möglichst weit Außen zu Fassen?
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<br style="clear: both" />
  
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Die Energieumladerketten sind durcheinandergeraten! Schneide die Einzelteile aus und bringe sie in die richtige Reihenfolge.
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===Fahrrad fahren===
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[[Datei:FahrradfahrerIn_mit_Kurbelweg.png|thumb|400px|Der Weg einer Kurbelumdrehung beträgt 1m bei 2m Fahrtweg.]]
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Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Sie tritt mit einer Kraft von 50N auf das Pedal. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.
  
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'''a)''' Ein "Flummi" wird vom Boden aufgehoben und losgelassen. Er fällt, hüpft wieder hoch, er fällt und hüpft wieder hoch, usw.
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*Wieviel Energie braucht Amanda, um 100 Meter zu fahren?
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*Mit welcher Kraft wird das Fahrrad geschoben?
  
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[[Datei:Aufgabe elastischer Ball Energieumladerkette durcheinander.png|705px]]
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Schaltet sie in den größten Gang kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit.
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*Mit welcher Kraft muss sie auf das Pedal drücken?
  
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'''b)''' Eine Kugel aus Knete wird hochgehoben und fallengelassen. Sie fällt auf den Boden und bleibt dort liegen. Danach hat die Kugel auf der Unterseite eine Delle.
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===Fahrrad fahren II===
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[[Datei:FahrradfahrerIn.png|thumb]]
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Amanda sitzt auf ihrem Rad und wird von Peter mit 12 Newton geschoben, wodurch Amanda eine mittlere Geschwindigkeit erreicht.
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<br/>Dann schiebt Peter nicht mehr und Amanda muss nun selbst treten, um mit dieser Geschwindigkeit weiter zu fahren.
  
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[[Datei:Aufgabe Knetball Energieumladerkette durcheinander.png|509px]]
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Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Schaltet sie in den größten Gang, so kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.
  
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[[Datei:Pfeil_und_Bogen_Bogenschützen.jpg|thumb|100px]]
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* Wieviel Energie braucht Peter, um Amanda 100 Meter weit zu schieben?
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[[Datei:Zielscheibe.jpg|thumb|100px]]
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:Wieviel Energie braucht Amanda, um 100 Meter weit zu fahren?
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'''c)''' Man spannt den Bogen und läßt die Sehne los. Der Pfeil fliegt davon und bleibt in der Zielscheibe stecken.
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[[Datei:Aufgabe Pfeil und Bogen Energieumladerkette durcheinander.png|500px]]
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* Mit welcher Kraft muss Amanda beim Fahren im kleinsten und im größten Gang gegen das Pedal drücken?
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'''d)''' Der "Grashüpfer" wird auf den Tisch gedrückt, der Saugnapf hält ihn fest. Kurze Zeit später springt er hoch, fällt wieder runter und bleibt auf dem Tisch liegen.
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[[Datei:Aufgabe Grashüpfer Energieumladerkette durcheinander.png|727px]]
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==Energieverluste und Wirkungsgrad==
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'''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>."
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:Was ist damit gemeint?
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===Laufen===
 
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|Beim Laufen ist auch deswegen Energie nötig, weil man sich bei jedem Schritt leicht anhebt.
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'''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt.
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*Laufe an der Tafel mit einer Kreide entlang und entnehme der daraus entstandenen Linie, um welche Höhe du dich bei jedem Schritt anhebst.
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:'''a)''' Wie geht die meiste Energie der Kohle "verloren"?
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*Wieviel Energie ist dafür bei jedem Schritt nötig?
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:'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher?
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*Wie weit kannst du nach dieser Rechnung mit der Energie einer Tafel Schokolade von ca. 2000 KiloJoule laufen? Der Körper kann allerdings nur ca. 1/4 der Energie auch auf die Bewegung umladen!
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:'''c)''' Bei einem Kraftwerk mit "Kraft-Wärme-Kopplung" werden die umliegenden Gebäude durch die Wärme des Kraftwerks geheizt und mit warmem Wasser versorgt. Durch große Rohre wird diese "Fernwärme" bis in die Häuser geleitet. Kleinere Anlagen werden auch "Blockheizkraftwerk" genannt.
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|[[File:Gehender Mann ein Gewicht tragend 1885.jpg|thumb|Étienne-Jules Marey: Gehender Mann ein Gewicht tragend, 1885]]
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:Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist?
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|[[File:Laufen (2) 1883.jpg|thumb|Laufen (2), 1883]]
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[[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]]
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'''3)''' Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert. ([[Energieverluste_und_der_Wirkungsgrad_von_Energiewandlern#Wirkungsgrad|Tabelle von Wirkungsgraden]])
 
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<br/>Fährt zum Beispiel ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so wird die Energie zuerst von der Weizenpflanze von Licht auf das Weizenkorn umgeladen. Der Mensch lädt die Energie des Korns auf die Bewegung um:
 
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[[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]]
 
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:<math> 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%</math>
 
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Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
 
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'''a)''' Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von:
 
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#einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird.
 
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#der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe.
 
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'''b)''' Vergleiche den Wirkungsgrad von:
 
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#einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt.
 
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#einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird.
 
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==Energie im Haushalt==
 
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'''1) Energie sparen im Haushalt'''
 
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In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto.
 
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*Zeichne ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger.
 
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'''2) Energiemengen und Kosten berechnen'''
 
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Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent.
 
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*Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten?
 
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*Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr?
 
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'''3) Verschiedene Lichtquellen'''
 
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Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat.
 
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*Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer.
 
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Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90%
 
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*Was ist damit gemeint?
 

Version vom 16. Januar 2023, 12:52 Uhr

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Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft (goldene Regel)

Hochheben

Flaschenzug 5Seile ohneUmlenkrolle.png

Michael hebt eine 10kg schwere Kiste auf einen ein Meter hohen Tisch. Maria nimmt sich ein zwei Meter langes Brett und schiebt die Kiste auf einem kleinen Wagen nach oben und Anastasia hebt die Kiste mit einem Flaschenzug hoch (Siehe Bild).

  • Mit welcher Kraft müssen sie jeweils ziehen?
  • Wieviel Energie brauchen sie jeweils dazu?


Nach Oben

Schauinsland von Freiburg

Um auf den Schauinsland zu kommen, muss man ca. 1000 Höhenmeter überwinden. Wieviel Energie ist wohl dazu nötig? Reicht es, wenn du ein trockenes Brötchen isst? Das enthält ungefähr 1000kJ (=1000000J) Energie.

  • Wieviel Energie braucht man um dich 1000m hochzuheben?

Die Energie des Brötchens wird nur zu 1/4 genutzt. Die restlichen 3/4 der Energie werden benutzt, um deinen Körper zu erwärmen.

  • Wieviele Brötchen musst du essen, um auf den Schauinsland steigen zu können?

Zange

Zange.jpg

Bei einer Kneifzange ist die Schneide ca. 1,5 cm vom Gelenk entfernt und der Griff ca. 9cm. Drückt man den Griff um 6mm zusammen, so bewegt sich die Schneide nur um 1mm. Um einen Draht durchzuschneiden ist am Griff eine Kraft von 75 Newton nötig.

  • Mit welcher Kraft drückt die Schneide auf den Draht?
  • Was für einen Vorteil bietet es den Draht möglichst weit in die Schneide hineinzuschieben und den Griff möglichst weit Außen zu Fassen?


Fahrrad fahren

Der Weg einer Kurbelumdrehung beträgt 1m bei 2m Fahrtweg.

Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Sie tritt mit einer Kraft von 50N auf das Pedal. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.

  • Wieviel Energie braucht Amanda, um 100 Meter zu fahren?
  • Mit welcher Kraft wird das Fahrrad geschoben?

Schaltet sie in den größten Gang kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit.

  • Mit welcher Kraft muss sie auf das Pedal drücken?

Fahrrad fahren II

FahrradfahrerIn.png

Amanda sitzt auf ihrem Rad und wird von Peter mit 12 Newton geschoben, wodurch Amanda eine mittlere Geschwindigkeit erreicht.
Dann schiebt Peter nicht mehr und Amanda muss nun selbst treten, um mit dieser Geschwindigkeit weiter zu fahren.

Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Schaltet sie in den größten Gang, so kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.

  • Wieviel Energie braucht Peter, um Amanda 100 Meter weit zu schieben?
Wieviel Energie braucht Amanda, um 100 Meter weit zu fahren?
  • Mit welcher Kraft muss Amanda beim Fahren im kleinsten und im größten Gang gegen das Pedal drücken?

Laufen

Beim Laufen ist auch deswegen Energie nötig, weil man sich bei jedem Schritt leicht anhebt.
  • Laufe an der Tafel mit einer Kreide entlang und entnehme der daraus entstandenen Linie, um welche Höhe du dich bei jedem Schritt anhebst.
  • Wieviel Energie ist dafür bei jedem Schritt nötig?
  • Wie weit kannst du nach dieser Rechnung mit der Energie einer Tafel Schokolade von ca. 2000 KiloJoule laufen? Der Körper kann allerdings nur ca. 1/4 der Energie auch auf die Bewegung umladen!
Étienne-Jules Marey: Gehender Mann ein Gewicht tragend, 1885
Laufen (2), 1883
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