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==Aufgaben zur Impulsmenge und zum 2. Newtonschen Gesetz==
+
==Aufgaben zum Modell der Elementarmagnete==
====1) Impulsmengen berechnen====
+
Teilt man einen Magneten in immer kleinere Stücke, entstehen wieder Magnete mit Nord- und Südpol. Wiederholt man diese Zerteilung immer und immer wieder, so gelangt man zu den einzelnen Atomen, den Elementarmagneten. Ein Eisenatom ist zum Beispiel ein winziger Magnet.
[[Datei:Möve_fliegend.jpg|thumb|140px]]
+
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
Berechne jeweils die Impulsmenge:
+
|
:a) Ein Vogel mit der Masse 100 g fliegt mit 36 km/h.
+
Bei magnetisierbaren Stoffen, wie Eisen, Nickel und Kobalt sind die Atome kleine Elementarmagnete. Bei nichtmagnetisierbaren Stoffen sind die Atome keine Magnete.
:b) Ein Fußgänger (m=72 kg) läuft mit 5 km/h.
+
:c) Ein Auto (m=1 t) fährt mit 36 km/h.
+
  
====2) Bewegungsmenge im Wasserbehältermodell====
+
Bei magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet.
Anke und ihr Papa fahren zusammen Rad. Anke wiegt 40 kg, ihr Vater 90 kg, jedes ihrer Räder 10kg. Sie fahren mit 18 km/h nebeneinander.
+
:a) Wieviel Impuls steckt in Anna, in ihrem Vater und wieviel in den beiden Rädern?
+
:Stelle dies mit dem Wasserbehältermodell dar.
+
:b) Wie schnell muss Anke fahren, um genausoviel Impuls wie ihr Vater zu haben? (mit Rädern)
+
:Stelle auch dies im Wasserbehältermodell dar.
+
 
+
====3) Ball und Gewehrkugel====
+
Ein Tennisball (m=57g) kann bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h einen Holzklotz umschmeißen.
+
:Wie schnell muß dazu eine Luftgewehrkugel sein, wenn sie nur 0,541 g Masse hat?
+
 
+
 
+
====4) Das Wasserbehältermodell I====
+
*In der Tabelle ist außer der ersten Spalte einiges durcheinandergeraten. Sortiere es wieder richtig.
+
 
+
{|class="wikitable"
+
!Bewegung
+
!Wasserbehälter
+
|-
+
|| Impulsmenge || Grundfläche 
+
|-
+
|| Masse ||  Wassermenge 
+
|-
+
|| Geschwindigkeit  || Abflussrate
+
|-
+
|| Kraft  || Zuflussrate
+
|-
+
|| Reibungskraft  || Wasserhöhe
+
 
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====5) Jemanden anschieben====
+
'''1)''' In den Bildern sind die Elementarmagnete von
Moritz wird von Karla wird auf einem Bürodrehstuhl angeschoben. Seine (träge) Masse beträgt 70kg und die des Stuhls 10kg. Dabei wird er 2 m/sec schnell.
+
:a) einem unmagnetisierten Stück Eisen
*Wieviel Impuls steckt in Moritz und wieviel im Stuhl?
+
:b) einem Stück Kupfer
*Mit welcher mittleren Kraft schiebt Karla, wenn sie eine halbe (ganze) Sekunde lang geschoben hat?
+
:c) einem magnetisierten Stück Eisen
 +
gezeichnet. Ordne die Bilder zu und begründe.
 +
<gallery widths=200px  perrow=3>
 +
Bild:Festmagnet vollständig magnetisiert.png|
 +
Bild:Unmagnetisierbarer_Gegenstand.png|
 +
Bild:Festmagnet Weiss-Bezirke unmagnetisch.png|
 +
</gallery>
  
====6) Roller fahren====
 
[[Datei:Tretroller.jpg|thumb|100px]]
 
Tina steht mit ihrem Roller auf einer ebenen Straße. Zusammen haben sie eine Masse von 50kg. Dann schubst sie sich zweimal  von der Straße ab. Beim ersten Mal eine Sekunde lang mit einer Kraft von 100N, beim zweiten Mal eine halbe Sekunde lang mit einer Kraft von 60N. Dazwischen rollt sie für zwei Sekunden.
 
*Wieviel Impuls hat Tina nach dem ersten und nach dem zweiten Anschubsen und wie schnell ist sie jeweils? (Rechne ohne Reibung, also ohne Impulsverlust.)
 
  
Die gerade eben noch vernachlässigte Reibungskraft beträgt für Tina und ihren Roller konstant 10 Newton.
+
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*Wie lange nach dem zweimaligen Anschubsen kann Tina noch rollen, bevor sie stehen bleibt?
+
Reines Eisen (Fe) ohne Beimischungen nennt man ''Weicheisen''. Aus Weicheisen wird durch Beimischung von Kohlenstoff und anderen Zusätzen ''Stahl'' hergestellt.<br>
*Wie könnte sie sich in regelmäßigen Abständen vom Boden abstoßen, um mit gleichbleibender Geschwindigkeit zu fahren?
+
Dadurch verändert sich die Drehbarkeit der Elementarmagnete! In Weicheisen sind sie leicht veränderbar, je mehr Zusätze das Eisen enthält, desto stabiler ist die Ausrichtung der Elementarmagnete.
  
====7) Das Wasserbehältermodell II====
+
'''2)''' Bei einem Versuch haben wir ihr eine "Nagelkette" an einen Magneten gehängt. Ohne den Magneten bleiben die unteren Nägel nicht an dem oberen hängen.
Beschreibe jeweils die Situationen oder Abläufe, indem du passende Wasserbehältermodelle mit dem richtigen Zu- und Abfluß zeichnest.
+
*Zeichnet ein Bild mit einer Nagelkette mit nur zwei Nägeln. Zeichnet in den Magneten sowie in die Nägel die Ausrichtung der Elementarmagnete und die Pole ein.
 +
*Erklärt warum die Nägel mit Magnet aneinander haften und ohne Magnet nicht.
  
*Paul und Pauline fahren Skatebord
+
'''3)''' Außerdem haben wir einen Eisennagel magnetisiert und durch Erschütterungen wieder entmagnetisiert.<br>
:Paul und Pauline stehen mit ihrem Skateboard auf der Straße. Beide stoßen sich für eine halbe Sekunde mit einer Kraft von 80 Newton vom Boden ab. Paul hat aber doppelt so viel Masse wie Pauline.
+
*Erkläre dieses Ergebnis mit dem Modell der Elementarmagnete. (Zeichnung und Text)
  
*Pauline und Antonia fahren zusammen Fahrrad
+
'''4)''' Wie werden wohl Permanentmagnete hergestellt, die man kaufen kann? Überlegt euch mindestens eine Möglichkeit.
:Beide haben in etwa die gleiche Masse und sind auch gleichschnell. Vor der Ampel kommt Pauline innerhalb von drei Sekunden zum Stehen. Antonia dagegen kann mit ihren besseren Bremsen sogar in anderthalb Sekunden anhalten.
+
  
*Pauline fährt Rad
 
:Zuerst steht sie an der Ampel. Dann tritt sie mit einer gleichbleibenden Kraft in die Pedale, bis sie schließlich mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Nach einer Weile hört sie auf zu treten und läßt es gemütlich ausrollen.
 
  
====8) Widerstände beim Radfahren====
+
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[[Datei:Fahrrad_Widerstandsdiagramm.png|thumb|250px]]
+
Bei einem magnetisierten Gegenstand hebt sich die Wirkung der Nord- und Südpole in der Mitte gegenseitig auf. Nur die Pole am Anfang und am Ende wirken nach Außen.<br>
In diesem Widerstandsdiagramm ist die Reibungskraft F über die Geschwindigkeit aufgetragen. Die Reibungskraft setzt sich aus dem geschwindigkeitsunabhängigen Rollwiderstand und der Luftreibung zusammen.
+
Man beschreibt daher den Magnetisierungszustand auch mit Magnetisierungslinien:
  
Paula fährt auf ebener Strecke mit einer konstanten Geschwindigkeit von 6 m/s.
+
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
*Wie groß ist jetzt die Reibungskraft und wie groß die antreibende Kraft?
+
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Danach tritt Paula so in die Pedale, dass die antreibende Kraft auf 40N ansteigt.
+
[[Datei:Festmagnet mit Ladungen.png|200px]]
*Wie schnell wird sie jetzt?
+
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+
Magnetisierungslinien beschreiben die Ausrichtung der Elementarmagnete innerhalb eines Gegenstandes. Sie verlaufen vom Südpol zum Nordpol.
====9) Die Weltraumwaage SLAMMD====
+
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Das "Space Linear Acceleration Mass Measurement Device", kurz SLAMMD bestimmt auf der ISS (International Space Station) die Masse von AstronautInnen durch eine lineare Beschleunigung. ([http://www.youtube.com/watch?v=qE4OoE93fX0 Demovideo])
+
 
+
Bei einer Messung wurde die Person durch eine Kraft von 50 Newton in 1,2 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 0,8 Meter pro Sekunde beschleunigt.
+
  
*Wie groß ist deren (träge) Masse?
+
'''5)''' Bei diesen Permanentmagneten ist die Ausrichtung der Elementarmagnete durch Magnetisierungslinien gekennzeichnet.
 +
*Kennzeichne die Südpole grün und die Nordpole rot.
  
====10) Der Anschnallgurt====
+
<gallery widths=200px heights=200px perrow=3>
Der Gurt verhindert bei einem Autounfall stärkere Verletzungen.
+
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Scheibenmagnet_mit_Linien.png|Ein Scheibenmagnet.
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Magnet_mit_Linien_NSNS.png|Dieser Magnet hat mehr als zwei Pole!
 +
Bild:Lernzirkel Magnetismus Aufgabe Magnetisierungslinien Ringmagnet mit Linien.png|Ein ringförmiger Magnet.
 +
</gallery>
  
Wie groß sind wohl die Kräfte auf den Kopf der FahrerIn bei einem Aufprall mit 50 km/h auf ein festes Hindernis mit und ohne Gurt?
+
'''6)''' Bei diesen Permanentmagneten sind die Pole gekennzeichnet.
 +
*Zeichne den möglichen Verlauf der Magnetisierungslinien ein.
 +
<gallery widths=200px heights=200px perrow=3>
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Hufeisenmagnet.png
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Rundmagnet_NSNS.png
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Rundmagnet_NNSS.png
 +
</gallery>
  
Mit Hilfe dieses [http://www.youtube.com/watch?v=QiEtaTROW_4&feature=related Videos vom TCS] wurde die Zeitdauer des Abremsens des Kopfes mit und ohne Gurt abgeschätzt. In den Zeitlupenaufnahmen wurden ca. 500 Bilder pro Sekunde aufgenommen, also alle 2 msec ein Bild gemacht.
+
'''7)''' An einen Permanentmagneten hängen ein oder zwei Weicheisenstücke.
 +
*Baut euch selbst die Situation nach und sucht mit einem Kompass die Pole.
 +
*Zeichnet dann die Magnetisierungslinien im Weicheisen ein.
  
:Abremsen durch Aufprall auf Frontscheibe und Lenkrad: ca. 6 msec
+
;Material
:Abremsen durch den Gurt: ca. 44 msec
+
*ein Stabmagnet
 +
*zwei Stücke Weicheisen
 +
*ein Minikompass
  
Ein menschlicher Kopf hat eine Masse von ca. 3-4kg ([http://hypertextbook.com/facts/2006/DmitriyGekhman.shtml], [http://www.smf.org/docs/articles/pdf/chingtechbrief.pdf]).
+
<gallery widths=250px heights=250px perrow=3>
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Stabmagnet_mit_Weicheisen.png
 +
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Stabmagnet_mit_zwei_Weicheisen.png
 +
</gallery>
  
*Berechne die wirkenden Kräfte beim Abbremsen und vergleiche sie mit der Gewichtskraft des Kopfes.
+
<br style="clear: both" />

Version vom 7. Juli 2019, 20:23 Uhr

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Aufgaben zum Modell der Elementarmagnete

Teilt man einen Magneten in immer kleinere Stücke, entstehen wieder Magnete mit Nord- und Südpol. Wiederholt man diese Zerteilung immer und immer wieder, so gelangt man zu den einzelnen Atomen, den Elementarmagneten. Ein Eisenatom ist zum Beispiel ein winziger Magnet.

Bei magnetisierbaren Stoffen, wie Eisen, Nickel und Kobalt sind die Atome kleine Elementarmagnete. Bei nichtmagnetisierbaren Stoffen sind die Atome keine Magnete.

Bei magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet.

1) In den Bildern sind die Elementarmagnete von

a) einem unmagnetisierten Stück Eisen
b) einem Stück Kupfer
c) einem magnetisierten Stück Eisen

gezeichnet. Ordne die Bilder zu und begründe.



Reines Eisen (Fe) ohne Beimischungen nennt man Weicheisen. Aus Weicheisen wird durch Beimischung von Kohlenstoff und anderen Zusätzen Stahl hergestellt.
Dadurch verändert sich die Drehbarkeit der Elementarmagnete! In Weicheisen sind sie leicht veränderbar, je mehr Zusätze das Eisen enthält, desto stabiler ist die Ausrichtung der Elementarmagnete.

2) Bei einem Versuch haben wir ihr eine "Nagelkette" an einen Magneten gehängt. Ohne den Magneten bleiben die unteren Nägel nicht an dem oberen hängen.

  • Zeichnet ein Bild mit einer Nagelkette mit nur zwei Nägeln. Zeichnet in den Magneten sowie in die Nägel die Ausrichtung der Elementarmagnete und die Pole ein.
  • Erklärt warum die Nägel mit Magnet aneinander haften und ohne Magnet nicht.

3) Außerdem haben wir einen Eisennagel magnetisiert und durch Erschütterungen wieder entmagnetisiert.

  • Erkläre dieses Ergebnis mit dem Modell der Elementarmagnete. (Zeichnung und Text)

4) Wie werden wohl Permanentmagnete hergestellt, die man kaufen kann? Überlegt euch mindestens eine Möglichkeit.



Bei einem magnetisierten Gegenstand hebt sich die Wirkung der Nord- und Südpole in der Mitte gegenseitig auf. Nur die Pole am Anfang und am Ende wirken nach Außen.
Man beschreibt daher den Magnetisierungszustand auch mit Magnetisierungslinien:

Festmagnet mit Ladungen.png

Magnetisierungslinien beschreiben die Ausrichtung der Elementarmagnete innerhalb eines Gegenstandes. Sie verlaufen vom Südpol zum Nordpol.

5) Bei diesen Permanentmagneten ist die Ausrichtung der Elementarmagnete durch Magnetisierungslinien gekennzeichnet.

  • Kennzeichne die Südpole grün und die Nordpole rot.

6) Bei diesen Permanentmagneten sind die Pole gekennzeichnet.

  • Zeichne den möglichen Verlauf der Magnetisierungslinien ein.

7) An einen Permanentmagneten hängen ein oder zwei Weicheisenstücke.

  • Baut euch selbst die Situation nach und sucht mit einem Kompass die Pole.
  • Zeichnet dann die Magnetisierungslinien im Weicheisen ein.
Material
  • ein Stabmagnet
  • zwei Stücke Weicheisen
  • ein Minikompass