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Aufgaben Physik - Hausaufgabe und Abgabe!
Erinnert euch an die letzte Messung, bei der wir aus der Messung von Spannung U (Einheit Volt, V) und Strom I (Einheit Ampere, A)
den Widerstand R (Einheit Ohm, Ω ) ermittelt haben. Lest euch den Text zu diesem Experiment nochmal s. Link , Widerstand-Messung-Übung.
Übung:
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Übung:
Lest diesen Text und versucht ihn zu verstehen - als Grundlage für den Versuch während des Unterrichtes.
Unklarheiten und Fragen merken und mit mir klären. Wieso E-Lehre wichtig ist .... ? Denkt an euren Alltag, denkt einmal an Euch und an ein Leben ohne elektrischen Strom!
Es gibt Grundgrößen und abgeleitete Größen. Der Unterschied sollte euch klar sein.
Bevor Ihr folgenden Versuch durchführt macht, sollt ihr Begriffe ordnen.
Für die Auswertung des Versuchsaufbaues gibt es hier auch eine Exceldatei: Achtung in der Tabelle sind der Strom mit blauen Werten und die Spannung mit roten Werten hervorgehoben.
Aufgabe: Öffnet die Exceldatei und versucht den Aufbau zu verstehen. Wer das kann hat im Berufsleben und im echten Leben einen echten Vorteil.
Folgende Sachen könnt ihr mit der Exceldatei machen:
- Grafiken zeichnen, wenn ihr die Werte in die richtigen Spalten eingegeben habt.
- Widerstand berechnen R = U/I
- Leistung (also die elektrische Leistung) P =U·I berechnen
- Spannungsverlust bestimmen - eine bestimmte Differenzspannung geht verloren
- Wirkungsgrad berechnen
Ihr habt einen Versuchsaufbau, der so aussieht:
Eine schematische Darstellung ist in der Zeichnung dargestellt, links.
Die Spannungsquelle ist beim Foto ein Netzteil, im Falle eures Experimentes die Spannungsquelle von der Medienleiste über euren Arbeitsplätzen. Die Spannung kann von 0 V – 15 V (je nach Netzteil) verändert werden.
Achtung ohne den Vorwiderstand ( besser Drosselwiderstand )1 brennt die Lampe bei höheren Spannungen durch.
Wichtig: Tragt möglichst zügig eure Spannungen im Messprotokoll und in der Grafik ein. Wenn ihr mehr Zeit habt, bzw. mehr Leute seid, könnt ihr die Wert auch in der Exceldatei des „Beamer“-Rechners machen. Vorteil: Es wird gleich die Grafik dazu gezeichnet, und ihr habt eine fertige Bildschirmpräsentation.
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Aufgabe: Die Spannung des Netzteiles und damit der Strom wird verändert. Notiert euch den Strom in Abhängigkeit von der Spannung also I = f(U). Messt auch die Teilspannungen an der Lampe und am Widerstand. (Messprotokoll ist vorhanden). Falls die Spannungsversorgung des Physikraumes benutzt wird, wird euch die Spannung angesagt. Bereich 0-15 V . Ein Schüler führt den Spannungsbereich in 1V Schritten durch.
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Wenn ihr sowohl am Widerstand als auch an der Lampe die Spannung messt, überprüft ob die Summe dieser Spannungen gleich der Gesamtspannung ist.
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Was fällt euch auf an der Glühlampe.
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Wie ändert sich der Widerstand von Lampe bzw. Widerstand mit U
Mit diesen Wertepaaren Strom , Spannung oder f= f(U) , U könnt ihr auch zwei weitere Größen bestimmen, nämlich die „verbratene“2 Leistung und den Widerstand des jeweiligen Bauteiles:
(Berechne Leistung und Widerstand ) = (Calculate power and resistance)
1Es ist egal ob der Widerstand vor oder hinter der Lampe ist. Der Begriff Vorwiderstand hat mich schon als Jugendlicher verwirrt, denn der Widerstand kann sowohl vor als auch hinter der zu schützenden Lampe oder Photodiode liegen.
2 Ich schreibe hier „unphysikalisch“ verbraten. Aber das ist die Wahrheit. Der Strom heizt den Widerstand auf – mehr nicht – ohne Nutzen. Wäre dieser Widerstand aber eine Herdplatte, dann hätten wir immerhin eine heiße Pfanne, also einen küchentechnischen Nutzen.
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Ihr habt einen Versuchsaufbau, der so aussieht:
Eine schematische Darstellung ist in der Zeichnung dargestellt, links.
Die Spannungsquelle ist beim Foto ein Netzteil, im Falle eures Experimentes die Spannungsquelle von der Medienleiste über euren Arbeitsplätzen. Die Spannung kann von 0 V – 15 V (je nach Netzteil) verändert werden.
Achtung ohne den Vorwiderstand ( besser Drosselwiderstand )1 brennt die Lampe bei höheren Spannungen durch.
Wichtig: Tragt möglichst zügig eure Spannungen im Messprotokoll und in der Grafik ein. Wenn ihr mehr Zeit habt, bzw. mehr Leute seid, könnt ihr die Wert auch in der Exceldatei des „Beamer“-Rechners machen. Vorteil: Es wird gleich die Grafik dazu gezeichnet, und ihr habt eine fertige Bildschirmpräsentation.
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Aufgabe: Die Spannung des Netzteiles und damit der Strom wird verändert. Notiert euch den Strom in Abhängigkeit von der Spannung also I = f(U). Messt auch die Teilspannungen an der Lampe und am Widerstand. (Messprotokoll ist vorhanden). Falls die Spannungsversorgung des Physikraumes benutzt wird, wird euch die Spannung angesagt. Bereich 0-15 V . Ein Schüler führt den Spannungsbereich in 1V Schritten durch.
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Wenn ihr sowohl am Widerstand als auch an der Lampe die Spannung messt, überprüft ob die Summe dieser Spannungen gleich der Gesamtspannung ist.
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Was fällt euch auf an der Glühlampe.
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Wie ändert sich der Widerstand von Lampe bzw. Widerstand mit U
Mit diesen Wertepaaren Strom , Spannung oder f= f(U) , U könnt ihr auch zwei weitere Größen bestimmen, nämlich die „verbratene“2 Leistung und den Widerstand des jeweiligen Bauteiles:
(Berechne Leistung und Widerstand ) = (Calculate power and resistance)
1Es ist egal ob der Widerstand vor oder hinter der Lampe ist. Der Begriff Vorwiderstand hat mich schon als Jugendlicher verwirrt, denn der Widerstand kann sowohl vor als auch hinter der zu schützenden Lampe oder Photodiode liegen.
2 Ich schreibe hier „unphysikalisch“ verbraten. Aber das ist die Wahrheit. Der Strom heizt den Widerstand auf – mehr nicht – ohne Nutzen. Wäre dieser Widerstand aber eine Herdplatte, dann hätten wir immerhin eine heiße Pfanne, also einen küchentechnischen Nutzen.
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Übungsarbeit/fragen
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Wie legt man ein Auto lahm ohne es zu zerstören? Nenne einige "elektrische" Methoden.
Man kann einen oder mehrere Zündstecker abziehen. 'Aber vorsicht. Macht das nicht bei laufendem Motor. Wieso? Noch besser ist es das Kabel von der Zündspule abzuziehen. Wer das ganze Auto ohne Strom machen will, der schraubt die Masseverbindung ab. Soll man das Auto nicht anlassen können, dann kann man auch das Kabel vom Anlasser abschrauben. Aber vorsicht: Die Plusleitung darf niemals mit blanken Teilen der Karrosserie in Berührung kommen. Wieso? Wer besonders faul ist, der entfernt einfach alle Sicherungen. Aber vorsicht - Erst merken, wo welche Sicherungen hingehören.
Regel: Ein komplexes technisches System wie ein Auto zerlegt oder demontiert man nicht ohne sich Gedanken bzw. ausreichend Notizen zu machen. -
Wieso springt an einer Zündkerze ein Zündfunken über?
Die Zündspule transformiert die 12 V Spannung der Batterie so hoch, dass diese Spannung ausreicht Luft "leitend" zu machen. Das ist vergleichbar zu einem Blitz. Die Spannung ist in der Größenordnung von 10 - 30 kV , 1 kV= 1000 Volt. Luft wird bei hohen Spannungen leitend. Dadurch fließt ein Strom in Form eines Zündfunkens. -
Was ist Induktion, oder besser elektromagentische Induktion.
Ein Magnetfeld induziert eine Spannung in einem Leiter. Ein elektrischer Strom induziert ein Magnetfeld i(im Raum um den Leiter, bzw. im vom Leiter umflossenen Raum). Statt induzieren kann man auch sagen "hervorrufen". Also ein elektrischer Strom ruft ein Magnetfeld hervor. Ein Magnetfeld ruft in einem Leiter eine Spannung und damit auch einen Strom hervor. Wichtig ist dabei, dass das Magnetfeld veränderlich ist, also dass es Ein-Aus geschaltet wird, bzw. seine Struktur oder Form ändert. Diesen Wechsel, also das An-Aus-Schalten, kann man auch als eine physikalische Größe betrachten. Man sagt, dass ein An-Aus-Schalten pro Sekunde die Frequenz von 1 Hz hat. 1 Hz wird als ein Hertz ausgesprochen. Statt An-Aus-Schalten sagt man auch Schwingung. Anm: Unser Wechselstromnetz hat eine Frequenz von 50 Hz. -
Wenn ein Herz 60 mal pro Minute schlägt. Welche Frezqenz hat es dann?
Eine Minute hat 60 Sekunden. 60 /60 Sekunden ergibt eine Frequenz von 60/60= 1/1 = 1 Hz.
Die Einheit Herz leitet sich von dem Physiker Heinrich Hertz ab. -
Kann man eine Frequenz hören. Kann man unseren "Wechselstrom" hören. Wenn ja - mit welchem Experiment?
Beim Transformator kann man oft ein Summen hören. Beim Schulexperiment zum Transformator mit einem rechteckigen Eisenkern schwingt der aufgelegte Eisenbalken oft sehr laut. -
Was ist ein Kurzschluss?
Bei einem Kurzschluss werden die Pole einer Spannungsquelle ohne Verbraucher oder Schutzwiderstand miteinander verbunden. Die Folge ist, dass der größte Strom fließt, den die Spannungsquelle liefern kann. Das kann zu Zerstörung der Spannungsquelle, zu Funken, Feuer und schließlich sogar zu einem Brand führen. Verhindert wird dies durch Sicherungen. -
Was ist eine Sicherung?
Eine Sicherung verhindert, dass ein zu großer Strom fließt. Die Sicherung legt praktisch fest wie groß der maximale Strom sein darf. Wird dieser Strom überschritten, dann unterbricht die Sicherung den Stromkreis. Es gibt Sicherungen, die wie eine Art Schalter funktionieren, den man wieder einschalten kann. Es gibt aber auch Sicherungen, die über einen dünnen Draht verfügen, der durchbrennt, so dass danach die Sicherung zerstört ist und ausgetauscht werden muss. -
Welche Stromquellen gibt es?
Die einfachste Stromquelle ist eine Batterie. Eine wiederaufladbare Batterie nennt man Akkumulator. Mittels eines Generators kann man elektrischen Strom aus einer Drehbewegung erzeugen. Denkbar ist jedoch auch eine Stromerzeugen durch gerade Hin-und Her Bewegung, Spulenexperiment, bei demim Hohlraum einer Spule ein Stabmagnet Hin-und-Her bewegt wird. -
Wer hat die erste Batterie erfunden und gebaut?
Das war Alessandro Volta um 1800 . Er baute seine nach ihm benannte Voltazelle - auch oft Volta-Säule genannt - aus einer Zinkplatte und einer Kupferplatte auf. Zwischen den Platten befand sich ein mit Säure getränkter Lederlappen als Elektrolyt.
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Leistung ist eine physikalische Größe, die beschreibt wieviel Energie in einer bestimmten Zeiteinheit umgesetzt wird.
Typisches Beispiel für Geräte mit Leistungsangaben sind Kraftwerke. Betrachten wir einmal ein Wasserkraftwerk. Der Harz mit seinen Talsperren und Flüssen bietet sich ja dafür an.
Zur Erinnerung
Das Formelsymbol P für Leistung leitet sich vom englischen Wort power ab.
Einheit der Leistung ist das Watt, also Joule/Sekunde.
Die Einheitengleichung lautet 1 W = 1 J/s = Nm/s
Wir betrachten einmal die potentielle Energie und überlegen uns was in diesem Fall der Ausdruck potentielle Energie pro Zeit bedeutet.
Wir bilden die Größengleichung dazu, indem wir Epot durch t, die Zeit, teilen.
Ein Wasserkraftwerk sieht oft so aus, dass ein Strom von Masse, also ein Strom von Wasser, eine feste Höhe h hinabfällt, also durch die Erdbschleunigung g beschleunigt wird . Dabei wird eine Form von modernem Wasserrad bewegt. Diese Vorrichtung ist in den vergangenen 300 Jahren extrem verbessert worden. Siehe Technik: Stichwörter, Pelton-Turbine, Francis-Turbine, Kaplan-Turbine, Turbo-Arbeitsmaschine . Ein Physiker und Mathematiker namens Leonhard Euler, 1707 - 1783, stand mit am Anfang dieser Entwicklung.
Den Term m/t kann man auch als eine Größe auffassen.
Das ist der sogenannte Massenstrom.
Der Term g · h kann als Potential bezeichnet werden, also als die Möglichkeit, welche Leistung mit einem Massenstrom maximal erzeugt werden kann.
Je größer dieser Term, also dieses Potential, um so größer die erzielbare Leistung.
Diese Leistung wird auch durch g bestimmt.
Aber nur auf die Höhe h, also die Fallhöhe des Massenstroms können wir als Ingenieure oder Techniker Einfluß nehmen, etwa indem wir die Höhe einer Talsperre oder die Höhe eines Wasserreservoirs für ein Pumpspeicherwerkfestlegen.
In unserer Heimat gibt es die Harzwasserwerke. Anhand der Daten, die ihr dort findet könnt ihr einfach nachrechnen wie gut der Wirkungsgrad der Anlagen ist, in dem ihr einfach in obige Formel einsetzt. Zur Erinnerung g = 9,81 m/s² . Ihr müßt dann nur die Leistungsangaben mit eurer Berechnung vergleichen, also die Leistungsangabe der Harzwasserwerke durch euren Idealwert teilen. Euer Leistungswert sollte immer größer als der Wert der Anlage sein, die ja Verluste hat.
Weitere Informationen zu unseren Strömen, also zu unseren Wasserströmen findet ihr beim NLWKN, Wasserwirtschaft des Landes Niedersachsen. Schaut einfach mal die Sieber an. Dort findet ihr sogar eine zeitliche Aufzeichung des Volumenstromes, also des Durchflusses, bzw. des Massenstromes. Was ist da der Unterschied???