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==Lernzirkel: Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)==
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Dieser Lernzirkel soll Ihnen die Gelegenheit geben die wichtigsten Eigenschaften der Gravitation, der elektrischen und magnetischen Wechselwirkung aus der Mittelstufe noch einmal zu wiederholen.
  
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==Aufgaben zu Energieverlusten und Wirkungsgrad==
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Führen Sie die verschiedenen Experimente durch und machen Sie sich mit Hilfe [[Schwere,_Elektrische_und_Magnetische_Wechselwirkung_(Gravitation,_Elektrostatik,_Magnetostatik)#Eigenschaften_von_schwerer.2C_elektrischer_und_magnetischer_Wechselwirkung|dieser Übersicht]] und den bei den Versuchen liegenden Hinweisen klar wie man die Beobachtungen mit Hilfe von verschiedenen Modellen erklären kann.
  
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{|class="wikitable"
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==1) ''Ladungen'' - verschiedene Eigenschaften von Gegenständen==
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!
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'''Material''': Laptop mit LAN, Physikbuch, zwei Stabmagnete, eine Schnur
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Energieumlader<br/>(-wandler)
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;Schwere Ladung
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!
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*Welche der Aussagen beschreibt die Gravitation am besten? ([http://www.youtube.com/watch?v=mezkHBPLZ4A Video: Was ist Gravitation? Eine Umfrage von "veritaserum".])
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Wirkungsgrad ca.
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:1) "Gravitation ist die Kraft, die uns und andere Gegenstände nach unten zur Erde zieht."
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!
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:2) "Gravitation bewirkt die Anziehung von kleinen Objekten zu großen Objekten." (Ein Ball wird von der Erde angezogen, die Erde wird von der Sonne angezogen.)
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Energieabgabe mit<br/>(Energieform)
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:3) "Gravitation ist Massenanziehung. Zwei Gegenstände, die Masse haben, werden zueinander hingezogen."
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*Wie funktioniert eine Gravitationsdrehwaage? Schaut in das Physikbuch.
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;Magnetische Ladung
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*Nähere das eine Ende eines Magneten verschiedenen Stellen des anderen Magneten.
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:Welche Wirkungen treten auf? In welchen Fällen ist die Wirkung besonders stark?
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*Hänge einen Magneten drehbar an einer Schnur auf.
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:An welcher Stelle befindet sich die Nordpolladung und wo die Südpolladung?
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;Elektrische Ladung
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*Warum gibt es keine Gegenstände, die dauerhaft elektrisch geladen sind?
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==2) Summe und Differenz von Ladungen==
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'''Material''': zwei Stabmagnete, eine Schachtel mit Eisennägeln, Wimshurstmaschine, Elektroskop mit Faraday-Becher, Ladungslöffel
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;Magnete wirken zusammen
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*Haltet zunächst nur einen Nordpol in die Nägel.
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:Wieviele Nägel kann man mit einem Nordpol anheben?
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*Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so zusammenhaltet, dass die beiden Nordpole und die beiden Südpole aufeinanderliegen.
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:Wieviele Nägel können zwei Nordpole anheben?
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*Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so aufeinanderlegt, dass jeweils die Nord- und Südpole zusammenliegen.
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:Wieviele Nägel kann ein gemischter Nord- / Südpol anheben?
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*Was folgt aus euren Beobachtungen?
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;Elektrische Ladungen löffeln
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*Mit der Wimshurst-Maschine kann man elektrische Ladungen trennen. Dreht man die Kurbel im Uhrzeigersinn, so fließen Elektronen von einer Seite auf die andere. Die entstehenden Pole sind mit + und - markiert. Auf einem Elektroskop befindet sich ein "Faraday-Becher". Die kleine Metallkugel mit dem Kunststoffgriff nennt man "Ladungslöffel".
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:Nehmt den Ladungslöffel und berührt damit den -Pol und danach die Innenseite des Faraday-Bechers. Wiederholt dies noch zweimal.
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:Berührt dann den +Pol und die Innenseite des Bechers. Wiederholt dies ebenso.
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;Gravitation auf anderen Planeten
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*Die Gravitation ist nicht überall gleich. Der Ortsfaktor gibt an, wie stark die Anziehungskraft an dieser Stelle ist.
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:Warum ist die Gravitation an den verschiedenen Orten denn so unterschiedlich?
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:{|
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!Himmelskörper
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! Ortsfaktor in N/kg
 
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| Merkur
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Pflanze
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| 3,70
−
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35%
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Holz, Körner,...
+
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<br/>(chemische Energie)
+
 
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+
| Venus
−
Solarzelle
+
| 8,87
−
|
+
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18%
+
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|rowspan="5"|Elektrizität<br/>(elektrische Energie)
+
 
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| Erde
−
Kernkraftwerk
+
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−
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+
−
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+
 
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| Mond
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Kohlekraftwerk
+
| 1,62
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+
−
35%
+
 
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+
| Mars
−
Windkraftanlage
+
| 3,71
−
|
+
−
50%
+
 
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|-
−
|  
+
| Jupiter
−
Wasserkraftwerk
+
| 24,79
−
|
+
−
85%
+
 
|-
 
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+
| Saturn
−
Generator
+
| 10,44
−
<br/>(Fahrrad-Nabendynamo)
+
−
|
+
−
85%
+
−
<br/>(60%)
+
−
|
+
−
Elektrizität<br/>(elektrische Energie)
+
 
|-
 
|-
−
|  
+
| Uranus
−
Lautsprecher
+
| 8,87
−
|
+
−
0,3%
+
−
|rowspan="5"|Bewegung<br/>(Bewegungsenergie)
+
 
|-
 
|-
−
|  
+
| Neptun
−
alter Dampfmotor
+
| 11,15
−
<br/>("Dampfmaschine")
+
−
|
+
−
5%
+
 
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−
Mensch
 
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Benzinmotor
 
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35%
 
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|-
 
−
|
 
−
Elektromotor
 
−
|
 
−
95%
 
−
|-
 
−
|
 
−
Glühlampe
 
−
|
 
−
4%
 
−
|rowspan="4"|Licht<br/>(Lichtenergie)
 
−
|-
 
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|
 
−
Energiesparlampe
 
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|
 
−
16%
 
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LED
 
−
|
 
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20%
 
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−
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Glühwürmchen
 
−
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−
Gasheizung
 
−
|
 
−
85%
 
−
|rowspan="2"|Wärme<br/>(Wärmeenergie)
 
−
|-
 
−
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−
Elektroheizung
 
−
|
 
−
100%
 
 
|}
 
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−
'''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>."
+
==3) Großer oder kleiner Abstand==
−
:Was ist damit gemeint?
+
'''Material''': Ein schwebender Magnet, ein elektrischer "Zauberstab" mit Folie
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;Schwebender Magnet [[Datei:Schwebender Magnet.jpg|thumb|100px]]
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*Ein Magnet schwebt über einem anderen Magneten. Wenn man oben draufdrückt, dann nähern sich die Magnete weiter an. Läßt man los, so bewegt sich der obere Magnet wieder weg und kommt in einer größeren Entfernung wieder zur Ruhe.
 +
:Wie kann man das erklären? (Tipp: Welche Kräfte wirken, wie hängt das mit dem Abstand zusammen?)
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;elektrischer Zauberstab
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*Lege die metallbedampfte Folie auf den "Zauberstab" und schalte ihn ein. Versuche die Folie in der Schwebe zu halten.
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:Vergleiche den Versuch mit den beiden Magneten.
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;Leichtigkeit auf dem Mount Everest
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*Am Meer werde ich mit 800N angezogen, aber auf dem Mount Everest nur noch mit 796N, dort bin ich also "leichter"!
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:Warum ist das so?
  
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==4) "Aufladen" und "Entladen"==
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|style="vertical-align:top;"|
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'''Material''': ein Eisennagel, ein Kompass, ein Stabmagnet, ein durchgebrochener Magnet, Schallplatte, (Woll)Pullover, Glimmlampe, Glasstab, Papier
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'''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt.
+
;Ein magnetischer Eisennagel
−
:'''a)''' Mit welchem Energieträger geht die meiste Energie der Kohle "verloren"?
+
*Nehmt einen Nagel und untersucht mit einem Kompass, ob der Nagel magnetische Pole hat. (Man erkennt das an der ''abstoßenden'' Wirkung, bei einem unmagnetisierten Nagel gibt es nur anziehende Wirkungen!)
−
:'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher?
+
:Falls ja, werft den Nagel mehrmals auf den Boden und prüft nun nochmal auf Nord- und Südpole.
−
:'''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.
+
:Falls nein, streicht mit einem der Pole einmal von einem bis zum anderen Ende über den Nagel. Untersucht dann erneut den Nagel mit dem Kompass.
−
:Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist?
+
*Prüft, ob ihr den magnetischen Zustand des Nagels erneut ändern könnt.
−
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+
 
−
[[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]]
+
;Durchgebrochener Magnet
−
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*An den Stellen, an denen der Magnet durchgebrochen ist, befinden sich wieder Pole!
−
'''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]])
+
:Welche Pole sind dort und wie kann man das mit der Magnetisierung des Magnets erklären?
−
<br/>Fährt ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so soll die Energie mit der Bewegung abgegeben werden:
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;Schallplatte und Glas reiben
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*Reibe die Schallplatte mit dem Wollpulli. Halte dann die eine Seite der Glimmlampe fest und berühre mit der anderen Seite der Glimmlampe verschiedenen Stellen der Schallplatte. (Der Raum sollte dazu ziemlich dunkel sein!)
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*Reibe den Glasstab mit Papier und halte wieder die Glimmlampe an den Glasstab. (Der Versuch klappt nicht immer!)
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;Gravitation An- und Ausschalten?
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*Einen Nagel kann man magnetisieren, wobei magnetische Ladungen entstehen und wieder entmagnetisieren. Eine Schallplatte kann man elektrisch laden und entladen.
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:Warum kann man nicht einem Stein schwere Ladung geben und wieder nehmen? Dann könnte man die Schwerewirkung auf den Stein an- und ausschalten!
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==5) Influenz (Polarisierung und Magnetisierung)==
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'''Material''': ein Kunststofflineal (oder Stange), ein Wollappen (oder ein Fell), Schallplatte, Fell, Metallkugel mit Fuß, Stabmagnet, Münzen
 +
;Gebogener Wasserstrahl
 +
*Reibe ein Kunststofflineal an einem Wollappen und halte es in die Nähe eines schwach fließenden Wasserstrahls.
 +
:Warum lenkt das Lineal den Wasserstrahl ab? (Tipp: Wie verändern die Wassermoleküle durch die Nähe des geladenen Lineals ihre Lage? Siehe "Orientierungspolarisation".)
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;Schallplattengenerator
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*Entlade zunächst die Metallkugel, indem du sie mit der Hand berührst. Lade dann die Schallplatte durch Reiben negativ auf. Halte die Glimmlampe an einer ihrer beiden Anschlüsse fest.
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#Halte die Schallplatte in die Nähe der Metallkugel (nicht berühren!) und berühre danach die gegenüberliegende Seite der Kugel kurz mit der Glimmlampe.
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#Entferne die Schallplatte und berühre die Kugel wieder kurz mit der Glimmlampe.
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:Jetzt kann man immer wieder 1. und 2. wiederholen...
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*([[Media:Elektrostatik_Influenz_Versuch_Wedelgenerator.ogg|Video des Versuchs]])
  
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[[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]]
+
;Metallsortierung
−
:<math> 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%</math>
+
*Nicht nur zwischen zwei Magneten gibt es eine Wechselwirkung. Auch zwischen manchen Metallen und Magneten.
−
Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
+
:Teste verschiedene Münzen mit dem Magneten!
  
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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:
+
;"schwere" Influenz
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#einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt.
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*Sogar elektrisch neutrale Gegenstände werden in der Nähe von elektrischen Ladungen beeinflusst, ebenso einige Stoffe in der Nähe von magnetischen Ladungen.
−
#einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird.
+
:Warum gibt es nicht auch eine Influenz bei der Gravitation?

Version vom 18. April 2018, 05:59 Uhr

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Lernzirkel: Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)

Dieser Lernzirkel soll Ihnen die Gelegenheit geben die wichtigsten Eigenschaften der Gravitation, der elektrischen und magnetischen Wechselwirkung aus der Mittelstufe noch einmal zu wiederholen.

Führen Sie die verschiedenen Experimente durch und machen Sie sich mit Hilfe dieser Übersicht und den bei den Versuchen liegenden Hinweisen klar wie man die Beobachtungen mit Hilfe von verschiedenen Modellen erklären kann.

1) Ladungen - verschiedene Eigenschaften von Gegenständen

Material: Laptop mit LAN, Physikbuch, zwei Stabmagnete, eine Schnur

Schwere Ladung
1) "Gravitation ist die Kraft, die uns und andere Gegenstände nach unten zur Erde zieht."
2) "Gravitation bewirkt die Anziehung von kleinen Objekten zu großen Objekten." (Ein Ball wird von der Erde angezogen, die Erde wird von der Sonne angezogen.)
3) "Gravitation ist Massenanziehung. Zwei Gegenstände, die Masse haben, werden zueinander hingezogen."
  • Wie funktioniert eine Gravitationsdrehwaage? Schaut in das Physikbuch.
Magnetische Ladung
  • Nähere das eine Ende eines Magneten verschiedenen Stellen des anderen Magneten.
Welche Wirkungen treten auf? In welchen Fällen ist die Wirkung besonders stark?
  • Hänge einen Magneten drehbar an einer Schnur auf.
An welcher Stelle befindet sich die Nordpolladung und wo die Südpolladung?
Elektrische Ladung
  • Warum gibt es keine Gegenstände, die dauerhaft elektrisch geladen sind?

2) Summe und Differenz von Ladungen

Material: zwei Stabmagnete, eine Schachtel mit Eisennägeln, Wimshurstmaschine, Elektroskop mit Faraday-Becher, Ladungslöffel

Magnete wirken zusammen
  • Haltet zunächst nur einen Nordpol in die Nägel.
Wieviele Nägel kann man mit einem Nordpol anheben?
  • Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so zusammenhaltet, dass die beiden Nordpole und die beiden Südpole aufeinanderliegen.
Wieviele Nägel können zwei Nordpole anheben?
  • Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so aufeinanderlegt, dass jeweils die Nord- und Südpole zusammenliegen.
Wieviele Nägel kann ein gemischter Nord- / Südpol anheben?
  • Was folgt aus euren Beobachtungen?
Elektrische Ladungen löffeln
  • Mit der Wimshurst-Maschine kann man elektrische Ladungen trennen. Dreht man die Kurbel im Uhrzeigersinn, so fließen Elektronen von einer Seite auf die andere. Die entstehenden Pole sind mit + und - markiert. Auf einem Elektroskop befindet sich ein "Faraday-Becher". Die kleine Metallkugel mit dem Kunststoffgriff nennt man "Ladungslöffel".
Nehmt den Ladungslöffel und berührt damit den -Pol und danach die Innenseite des Faraday-Bechers. Wiederholt dies noch zweimal.
Berührt dann den +Pol und die Innenseite des Bechers. Wiederholt dies ebenso.
Gravitation auf anderen Planeten
  • Die Gravitation ist nicht überall gleich. Der Ortsfaktor gibt an, wie stark die Anziehungskraft an dieser Stelle ist.
Warum ist die Gravitation an den verschiedenen Orten denn so unterschiedlich?
Himmelskörper Ortsfaktor in N/kg
Merkur 3,70
Venus 8,87
Erde 9,798
Mond 1,62
Mars 3,71
Jupiter 24,79
Saturn 10,44
Uranus 8,87
Neptun 11,15

3) Großer oder kleiner Abstand

Material: Ein schwebender Magnet, ein elektrischer "Zauberstab" mit Folie

Schwebender Magnet
Schwebender Magnet.jpg
  • Ein Magnet schwebt über einem anderen Magneten. Wenn man oben draufdrückt, dann nähern sich die Magnete weiter an. Läßt man los, so bewegt sich der obere Magnet wieder weg und kommt in einer größeren Entfernung wieder zur Ruhe.
Wie kann man das erklären? (Tipp: Welche Kräfte wirken, wie hängt das mit dem Abstand zusammen?)
elektrischer Zauberstab
  • Lege die metallbedampfte Folie auf den "Zauberstab" und schalte ihn ein. Versuche die Folie in der Schwebe zu halten.
Vergleiche den Versuch mit den beiden Magneten.
Leichtigkeit auf dem Mount Everest
  • Am Meer werde ich mit 800N angezogen, aber auf dem Mount Everest nur noch mit 796N, dort bin ich also "leichter"!
Warum ist das so?

4) "Aufladen" und "Entladen"

Material: ein Eisennagel, ein Kompass, ein Stabmagnet, ein durchgebrochener Magnet, Schallplatte, (Woll)Pullover, Glimmlampe, Glasstab, Papier

Ein magnetischer Eisennagel
  • Nehmt einen Nagel und untersucht mit einem Kompass, ob der Nagel magnetische Pole hat. (Man erkennt das an der abstoßenden Wirkung, bei einem unmagnetisierten Nagel gibt es nur anziehende Wirkungen!)
Falls ja, werft den Nagel mehrmals auf den Boden und prüft nun nochmal auf Nord- und Südpole.
Falls nein, streicht mit einem der Pole einmal von einem bis zum anderen Ende über den Nagel. Untersucht dann erneut den Nagel mit dem Kompass.
  • Prüft, ob ihr den magnetischen Zustand des Nagels erneut ändern könnt.
Durchgebrochener Magnet
  • An den Stellen, an denen der Magnet durchgebrochen ist, befinden sich wieder Pole!
Welche Pole sind dort und wie kann man das mit der Magnetisierung des Magnets erklären?
Schallplatte und Glas reiben
  • Reibe die Schallplatte mit dem Wollpulli. Halte dann die eine Seite der Glimmlampe fest und berühre mit der anderen Seite der Glimmlampe verschiedenen Stellen der Schallplatte. (Der Raum sollte dazu ziemlich dunkel sein!)
  • Reibe den Glasstab mit Papier und halte wieder die Glimmlampe an den Glasstab. (Der Versuch klappt nicht immer!)
Gravitation An- und Ausschalten?
  • Einen Nagel kann man magnetisieren, wobei magnetische Ladungen entstehen und wieder entmagnetisieren. Eine Schallplatte kann man elektrisch laden und entladen.
Warum kann man nicht einem Stein schwere Ladung geben und wieder nehmen? Dann könnte man die Schwerewirkung auf den Stein an- und ausschalten!

5) Influenz (Polarisierung und Magnetisierung)

Material: ein Kunststofflineal (oder Stange), ein Wollappen (oder ein Fell), Schallplatte, Fell, Metallkugel mit Fuß, Stabmagnet, Münzen

Gebogener Wasserstrahl
  • Reibe ein Kunststofflineal an einem Wollappen und halte es in die Nähe eines schwach fließenden Wasserstrahls.
Warum lenkt das Lineal den Wasserstrahl ab? (Tipp: Wie verändern die Wassermoleküle durch die Nähe des geladenen Lineals ihre Lage? Siehe "Orientierungspolarisation".)
Schallplattengenerator
  • Entlade zunächst die Metallkugel, indem du sie mit der Hand berührst. Lade dann die Schallplatte durch Reiben negativ auf. Halte die Glimmlampe an einer ihrer beiden Anschlüsse fest.
  1. Halte die Schallplatte in die Nähe der Metallkugel (nicht berühren!) und berühre danach die gegenüberliegende Seite der Kugel kurz mit der Glimmlampe.
  2. Entferne die Schallplatte und berühre die Kugel wieder kurz mit der Glimmlampe.
Jetzt kann man immer wieder 1. und 2. wiederholen...
Metallsortierung
  • Nicht nur zwischen zwei Magneten gibt es eine Wechselwirkung. Auch zwischen manchen Metallen und Magneten.
Teste verschiedene Münzen mit dem Magneten!


"schwere" Influenz
  • Sogar elektrisch neutrale Gegenstände werden in der Nähe von elektrischen Ladungen beeinflusst, ebenso einige Stoffe in der Nähe von magnetischen Ladungen.
Warum gibt es nicht auch eine Influenz bei der Gravitation?
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