2 Gollenz · Breyer · Reichel · Zunzer Physik
Gollenz Physik 2, Schülerbuch Schulbuchnummer: 195122 Gollenz Physik 2, Schülerbuch und E-Book Schulbuchnummer: 195897 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 3. Dezember 2019, GZ BMBWF-5.018/0062-Präs/14/2018, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr. 472186, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 2. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2012) und für die 2. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen, Unterstufe, im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Umschlagbilder: the-lightwriter / Getty Images - iStockphoto; saruservice / iStock / Getty Images Plus Illustrationen: Bernd Pavlik, Neusiedl am See 1. Auflage (Druck 0002) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2020 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Stefan Kapeller, Wien Herstellung: Raphael Hamann, Wien Umschlaggestaltung: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Layout: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Satz: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne GmbH, Horn ISBN 978-3-209-11102-9 (Physik Gollenz SB 2) ISBN 978-3-209-11108-1 (Physik Gollenz SB 2 + E-Book) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Gollenz · Breyer · Reichel · Zunzer Nach dem Lehrbuch von Gollenz · Breyer · Reichel · Tentschert neu bearbeitet von OStR Dr. Franz Gollenz HR Mag. Gustav Breyer Mag. Dr. Erich Reichel Mag. Dr. Stefan Zunzer Physik 2 Lehrbuch www.oebv.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Alle Körper bestehen aus Teilchen 39 Teilchenmodell 40 21 Wärmeempfindung und Wärmezustand 40 22 Ausdehnung der Körper durch Wärme 41 23 Die Temperatur und ihre Messung 42 24 Temperatur in Biologie und Technik 44 25 Beispiele zur Wärmeausdehnung 45 26 Die Bausteine unserer Welt 47 27 Aufbau der Atome 49 28 Über die Atome 50 29 Moleküle und Ionen 51 30 Kräfte zwischen den Teilchen: Kohäsion und Adhäsion 53 31 Kapillarität und Benetzbarkeit 55 32 Die Brown’sche Bewegung 56 33 Wärme ist Bewegung von Teilchen 57 34 Schmelzen und Erstarren 58 35 Verdampfen, Sieden, Verdunsten 59 Druck 60 36 Die Dichte 60 37 Der Druck und seine Messung 61 38 Der hydrostatische Druck 63 39 Statischer Auftrieb in Flüssigkeiten 66 40 Schwimmen, Schweben, Sinken 68 41 Ausbreitung des Drucks in Flüssigkeiten 70 42 Der Luftdruck 72 43 Messung des Luftdrucks – Barometer 73 44 Die Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe 75 45 Luftpumpen 76 46 Praktische Nutzung des Luftdrucks 78 Schall 80 47 Die Entstehung des Schalls 80 48 Schallleitung und Schallgeschwindigkeit 81 49 Tonhöhe und Frequenz 83 50 Von den Musikinstrumenten 84 51 Schallmessung 86 52 Lärm und Lärmschutz 87 Überprüfe dein Wissen 89 Physik bestimmt unser Leben 5 1 Die Aufgabe der Physik 6 2 Physikalische Experimente 7 Die Welt, in der wir uns bewegen 9 Bewegung 10 3 Bewegungsarten 10 4 Die Geschwindigkeit 12 Masse und Kraft 14 5 Trägheit und Masse 14 6 Kräfte und ihre Wirkungen 16 7 Messung von Kräften 17 8 Kraft und Gegenkraft 19 9 Gewichtskraft 20 10 Masse und Anziehungskraft 22 11 Messung von Massen durch Vergleich – Waagen 23 12 Die Reibung 24 13 Der Luftwiderstand 26 Kräfte in Natur und Technik 27 14 Der Schwerpunkt 27 15 Arten des Gleichgewichtes 28 16 Standfestigkeit 29 17 Der Hebel 30 18 Die Rolle 33 19 Das Wellrad 34 20 Werkzeuge 35 Überprüfe dein Wissen 36 Kapitelbezeichnungen in grauer Schrift kennzeichnen Kapitel, die zur Erweiterung und Vertiefung des Kernstoffes dienen. 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Der Traum vom Fliegen 95 53 Statischer Auftrieb in Gasen 96 54 Aerodynamischer Auftrieb 99 55 Anwendungen des dynamischen Auftriebs 102 56 Fliegt nur alles, was Flügel hat? 104 57 Geschichtliches über das Flugwesen 107 Überprüfe dein Wissen 108 Elektrische Phänomene sind allgegenwärtig1 109 Grundlagen der Elektrizität 10 58 Grunderfahrungen mit elektrischem Strom 110 59 Der elektrische Stromkreis 111 60 Gefahren des elektrischen Stroms 113 61 Leitfähigkeit der Stoffe 114 62 Elektrische Leiter 115 63 Elektrische Nichtleiter 116 64 Elektrische Ladungen 117 65 Kräfte zwischen elektrischen Ladungen 119 66 Das Gewitter 121 Überprüfe dein Wissen 122 Lösungen zu „Zeige Deine Kompetenz“ 124 Lösungen zu „Überprüfe dein Wissen“ 125 Register 127 Bedeutung der Vorsilben Giga (G) = 1 000 000 000 Dezi (d) = 0,1 Beispiel 1: Mega (M) = 1 000 000 Zenti (c) = 0,01 1 000 Meter = 1 Kilometer = 1 km Kilo (k) = 1 000 Milli (m) = 0,001 Hekto (h) = 100 Mikro (μ) = 0 ,000 001 Beispiel 2: Deka (da) = 10 Nano (n) = 0,000 000 001 0,01 Meter = 1 Zentimeter = 1 cm Bedeutung der verwendeten Zeichen (Meanings of symbols used) Physikalische Größen A Fläche (area) b B reite (width) f F requenz (frequency) F Kraft (force) g Fallbeschleunigung (gravitational acceleration) h Höhe (heigth) l L änge (length) m M asse (mass) M Drehmoment (torque) n Anzahl (number) p Druck (pressure) r, R Radius (radius) s Weg (distance) t Zeit (time) T Temperatur in K (temperature) v Geschwindigkeit (velocity, speed) V Volumen (volume) W Arbeit (work) ή (rho) Dichte (density) Einheiten Hz Hertz (Einheit der Frequenz), hertz (unit of frequency) K Kelvin (Einheit der Temperatur), kelvin (unit of temperature) kg Kilogramm (Einheit der Masse), kilogram (unit of mass) J Joule (Einheit der Arbeit/Energie), joule (unit of work/energy) 1 Das Kapitel Elektrische Phänomene sind allgegenwärtig wurde in das Lehrbuch der 2. Klasse aufgenommen, um eine Anpassung an schulautonome Stundenverteilungen zu erleichtern. Die Änderung der Verordnung über die Lehrpläne der allgemeinbildenden höheren Schulen vom 13. Juni 2003 wurde dadurch berücksichtigt. 3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
BLICK INS BUCH Liebe Schülerin, lieber Schüler! Physik zu lernen, ist spannend und abwechslungsreich. Du begibst dich in die Welt der kleinsten Bausteine der Materie bis hinaus in den Kosmos. Dabei wirst du auch lernen, wie Wissenschaften funktionieren. Dieses Lehrbuch soll dir helfen, deine Kompetenzen in den folgenden drei Bereichen zu vertiefen: 1) Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur zu beschreiben, zu verstehen und zu deuten. Dazu sollst du auch Informationen aus unterschiedlichen Medien und Quellen heranziehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollst du in geeigneter Form dokumentieren und auch anderen mitteilen. 2) Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur aus der Sicht der Naturwissenschaften zu beobachten und zu verstehen. Deine Erkenntnisse kannst du in verschiedenen Formen, wie z. B. in einer Grafik, einer Tabelle oder einem Diagramm darstellen, beschreiben und dazu Berechnungen durchführen. Dazu ist es notwendig, die beobachteten Phänomene zu ordnen, darzustellen und festzuhalten sowie auch zu verschiedenen Fragestellungen Experimente zu planen und durchzuführen. Dabei werden sich weitere Fragen ergeben, deren Antworten du zunächst nur vermuten kannst. 3) Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Du sollst lernen, Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen oder deinen Experimenten bezüglich ihrer Bedeutung und Auswirkungen zu bewerten. Du sollst auch lernen, naturwissenschaftliche Argumentationen und Fragestellungen von nicht-naturwissenschaftlichen zu unterscheiden. Du sollst Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für dich persönlich, für die Gesellschaft und die Umwelt erkennen und danach verantwortungsbewusst handeln. Du wirst auch die Bedeutung der Physik und Technik für verschiedene Berufsfelder, die dich interessieren könnten, verstehen lernen. Weitere im Buch verwendete Symbole und Markierungen: Online-Codes am Beginn eines Themenbereiches führen dich zu zusätzlichem Bonusmaterial. Gib den Code im Suchfenster auf www.oebv.at ein und du wirst zu passendem Material weitergeleitet. Sicherheitshinweis Experimentieren kann auch gefährlich sein kann! Physikalische Versuche sollen dein Interesse wecken, dein Wissen erweitern und dir Freude bereiten. Sie sollen aber nicht deine Gesundheit gefährden. Führe daher deine Versuche sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen! Demonstrationsversuche dürfen nur von deinen Ph-Lehrerinnen und Lehrern durchgeführt werden. Mit dieser gelben Markierung sind physikalisch besonders wichtige Inhalte hervorgehoben. Die unter „Du bist dran – zeige deine Kompetenz:“ gestellten Aufgaben sollen dir eine Kontrolle über dein kompetenzorientiertes Wissen ermöglichen und dich zu weiteren Beobachtungen und Versuchen anregen. Am Ende jedes Großkapitels findest du auf den „Überprüfe dein Wissen“-Seiten zusätzliche Aufgaben. Die Lösungen zu allen Aufgabenstellungen findest du am Ende des Lehrbuches. Weitere Aufgabenstellungen bietet dir das auf das Lehrbuch abgestimmte Arbeitsheft Physik 2. Graue Texte gehören nicht direkt zum Kernstoff, sondern sind als Erweiterung und Vertiefung gedacht. Sie bieten zusätzliche Informationen, die dich ebenfalls interessieren könnten. Mit grauen Kapitelnummern im Inhaltsverzeichnis werden Kapitel gekennzeichnet, die komplett zum Erweiterungsstoff zählen. Ó Am Ende eines Kapitels ist das Wichtigste kurz zusammengefasst. 4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Physik bestimmt unser Leben Experimente ermöglichen ein Hinterfragen und genaues Beobachten von Vorgängen in der Natur und geben Antworten auf naturwissenschaftliche Fragestellungen. Luftbild vom Teilchenbeschleuniger des CERN Warum führt man Experimente durch? Viele Forscherinnen und Forscher beobachten die Natur und stellen genaue Untersuchungen an. Man nennt sie Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter. Ihr Ziel ist es herauszufinden, nach welchen Regeln und Gesetzen die Natur funktioniert. Dazu hast sicher auch du eine Menge Fragen auf Lager: Warum ist der Himmel blau? Wie entsteht ein Regenbogen? Warum gefriert das Wasser im Winter? Woher kommt die heftige Wirkung eines Blitzes? Wie alt ist unser Sonnensystem? Warum hat der Albatros Probleme beim Starten und Landen? Wie schaut ein Atom aus? Die überprüften Antworten auf diese Fragen gelten so lange, bis neue Erkenntnisse eine Änderung notwendig machen. Warum forschen wir? Hubble am Teleskop Edwin Powell Hubble (1889–1953) beobachtete nächtelang in der kalten Kuppel des Mount Wilson Observatoriums in Kalifornien (USA) Sterne und Galaxien. Er erkannte dabei, dass sich diese Galaxien von uns wegbewegen. Dadurch konnte er das Alter unseres Universums bestimmen. Galilei Galileo Galilei Galileo Galilei (1564–1641) versuchte als Erster die Naturgesetze durch Messungen zu bestimmen. E. P. Hubble vor seinem Teleskop Die Untersuchung der Naturgesetze führt zu technischen Höchstleistungen. Mit Raumflugkörpern können wir unsere Nachbarplaneten besuchen. Der Teilchenbeschleuniger des CERN in Genf ermöglicht uns, die kleinsten Bestandteile der Materie zu finden. Er ist übrigens die größte von Menschenhand gebaute Maschine. Technische Anwendung Start einer Ariane-5-Trägerrakete Albatros Bonusmaterial Ó 2r64nb Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 Die Aufgabe der Physik 1 Viele Menschen befassen sich mit dem Aufbau und den Gesetzmäßigkeiten der Natur. Sie erforschen den Makrokosmos, das Weltall, die Welt, in der wir uns täglich bewegen, und auch den Mikrokosmos, die Welt der Atome und Elementarteilchen. Du kannst dir vorstellen, dass diese Forschungen sehr umfangreich sind. Daher haben sich im Laufe der Zeit mehrere Naturwissenschaften entwickelt. Die Chemie beschäftigt sich mit den Elementen und Stoffen, aus denen die unterschiedlichen Körper in der Natur bestehen. Die Biologie erforscht, was in der Natur lebt und wie Leben entstanden sein könnte. Und dann gibt es die Physik. Physik (physics) stammt vom griechischen Wort „physis“ ab, das so viel wie Natur bedeutet. Dementsprechend ist die Physik die Lehre über die Natur und befasst sich mit ihren grundlegenden Vorgängen und Gesetzen. Eng mit der Physik verbunden sind die Astronomie (die Lehre vom Weltall), die Geophysik (die Lehre von unserer Erde und den Planeten) und die Meteorologie (die Wetterkunde). Physikerinnen und Physiker versuchen, ihre Fragen über die Natur so richtig und genau wie möglich zu beantworten. Zuerst vermuten sie Antworten und nennen diese Vermutungen „Hypothesen“. Diese überprüfen sie durch Experimente und Berechnungen. Können diese Hypothesen bestätigt werden, so werden sie zu einer „Theorie“ zusammengefasst. Diese erlaubt die Erklärung von Naturerscheinungen und ermöglicht Vorhersagen. Die Naturgesetze existieren aber auch unabhängig davon, ob sie irgendjemand findet. Zur genauen Beobachtung werden häufig Experimente durchgeführt. Sie ermöglichen eine genaue Untersuchung von Naturphänomenen. Dabei werden diese nicht nur genau beobachtet, sondern durch verschiedene Messungen mit geeigneten Messgeräten beschrieben. Diese Ergebnisse sollen gefundene Naturgesetze und ihre Deutung bestätigen. Du kannst dir vorstellen, dass es nicht immer einfach ist, Naturvorgänge genau zu verstehen. Manchmal gelingt das überhaupt nicht oder nur vereinfacht. Daher arbeitet man in der Physik mit Modellen. Diese Modelle verschaffen uns eine möglichst genaue Vorstellung von der Natur. Abb. 1.3 zeigt, wie man durch Modelle vereinfachen kann. Jeder Schritt der Vereinfachung erleichtert die Beschreibung. So kann man z. B. jeden Körper zunächst als Punkt betrachten. Wir nennen ihn einen Massenpunkt. Die Kenntnis der Naturgesetze ermöglicht es, Naturvorgänge zu verstehen und ihre Abläufe vorherzusagen. Beispiele dafür sind die Wettervorhersage oder die von Sonnen- und Mondfinsternissen. Die Physikerinnen und Physiker können aber auch vorausberechnen, welche Kräfte beim Start eines Raumschiffes auf Astronautinnen und Astronauten einwirken. Da die Naturwissenschaft Physik so umfangreich ist, wird sie selbst wieder in Teilgebiete unterteilt, und zwar in Mechanik, Akustik, Wärmelehre, Elektrizität und Magnetismus, Optik, Aufbau der Materie. Die Technik1 (engineering) hat die Aufgabe, die Erkenntnisse der Naturwissenschaften durch den Menschen und für den Menschen nutzbar zu machen. 1 Das Wort Technik leitet sich aus dem griechischen Wort techne (für Kunst) ab. Was machen Physikerinnen und Physiker eigentlich? 1.1 Biologie – Die Zelle stellt die kleinste Einheit des Lebens dar. 1.2 Chemie – Alle Stoffe sind aus Atomen zusammengesetzt. 1.3 Modellbildung. Vom realen Objekt bis zum Massenpunkt. 1.1 Finde weitere Beispiele für die Nutzbarmachung der Naturwissenschaften. 1.2 Recherchiere, womit sich die Bionik beschäftigt. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: Die Physik beschäftigt sich mit der Entdeckung, Beschreibung und Erklärung der Naturgesetze. Nur zu Prüfzwecken – Eigent m des Verlags öbv
7 Physikalische Experimente 2 Wir wollen natürlich selbst herausfinden, wie die Natur „funktioniert“. Darum sollst du einige Versuche gleich einmal ausprobieren. Ganz wichtig ist immer, dass du beim Experimentieren genau beobachtest. Sicherheitshinweis: Achte immer darauf, dass Experimentieren auch gefährlich sein kann! Physikalische Versuche sollen dein Interesse wecken, dein Wissen über die Geheimnisse der Natur erweitern und ihr Gelingen soll dir Freude bereiten. Sie sollen aber nicht deine Gesundheit gefährden oder Sachbeschädigungen hervorrufen. Führe daher deine Versuche sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen! Versuch: Fülle eine PET-Flasche mit heißem Wasser und warte ein paar Sekunden! Danach leerst du die Flasche wieder aus und verschraubst sie so dicht wie möglich. Übergieße danach die Flasche mit kaltem Wasser im Waschbecken oder lass sie einfach stehen. Erkläre, was passiert (Abb. 2.1). Versuch: Reibe zwei Trinkhalme an einem Mikrofasertuch! Versuche sie parallel anzunähern (Abb. 2.2). Was spürst du? Versuch: Nimm eine Batterie, ein Kabel und eine Glühbirne mit Fassung und bringe sie zum Leuchten! Geht das auch mit nur einem Kabel? Versuch: Nimm einen Kunststofftrichter und einen Tischtennisball. Gib den Tischtennisball in den Trichter und blase durch die schmale Öffnung des Trichters hinein (Abb. 2.3). Was kannst du beobachten? Versuch: Reibe einen Kamm aus Kunststoff an deinem Pullover, bevor du ihn in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls aus einem Wasserhahn hältst! Was passiert mit dem Wasserstrahl (Abb. 2.4.)? Versuch: Im Spielzeughandel findest du manchmal ein Spielzeug wie in Abb. 2.5 a. Näherst du die beiden Figuren an, so reagieren sie wie in Abb. 2.5 b. Wie kannst du das erklären? Versuch: Nimm zwei Blatt Druckerpapier: Knülle eines davon zu einer Papierkugel. Lasse das ganze Blatt und die Papierkugel gleichzeitig aus der gleichen Höhe fallen. Was kannst du beobachten? 1 Am Beginn jedes Kapitels findest du eine „Einstiegsfrage“. Diese kann dein Interesse am jeweiligen Thema wecken. Wenn du das Kapitel aufmerksam durcharbeitest, findest du sicher eine Antwort. Manchmal ist es aber nicht ganz so einfach. Da musst du auch noch andere Quellen heranziehen. Warum ist das Experiment für die Physik so wichtig?1 2.1 Implosion einer PET-Flasche 2.2 Trinkhalmversuch 2.3 Trichter mit Tischtennisball 2.4 Ein geriebener Kunststoffkamm lenkt einen Wasserstrahl ab. 2.5 Spielzeugpüppchen a 2.5 Spielzeugpüppchen nach Annäherung b Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 Versuch: Bereite unterschiedlich saugfähige Materialien, wie Zeitungspapier, Küchenrolle, Packpapier, Druckerpapier, aber auch Alu- oder Kunststofffolie vor. Tropfe mit Hilfe einer Pipette auf jedes Stück einen gleich großen Wassertropfen. Beobachte und beschreibe, was mit dem Tropfen auf den unterschiedlichen Materialien passiert (Abb. 2.6, 2.7). Bei physikalischen Experimenten werden Vorgänge nicht nur beobachtet und beschrieben, sondern es werden auch Messungen durchgeführt. Dafür sind geeignete Messgeräte notwendig. Durch Messungen kommt man erst zum genauen Wissen über Naturgesetze. Die Messergebnisse kann man in Tabellen eintragen und in Zeichnungen (Diagrammen) darstellen. Damit kann man die eigenen Ergebnisse und Überlegungen mit denen anderer Forscherinnen und Forschern vergleichen. Versuch: Miss die Dehnung eines Gummibandes bei zunehmender Belastung: Dazu brauchst du ein Stativ, einen Gummiring, einen Gewichtsteller mit mehreren Schlitzgewichten und ein Maßband (Abb. 2.8). Trage deine Messergebnisse in eine Tabelle ein und stelle den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Massestücke und der Längenzunahme des Gummibandes grafisch dar. Versuch: Miss die „Schwingungsdauer“ eines Fadenpendels von 1m Länge: Verwende dazu wieder ein Stativ, einen dünnen Faden, Gewichtsteller mit Massestück, eine Schere, ein Maßband und eine Stoppuhr (Abb. 2.9). Die Pendellänge soll möglichst genau 1m sein. Stoppe die Zeit für zehn volle Hin- und Herbewegungen des Pendels, um die Messfehler klein zu halten. Wie groß ist die Schwingungsdauer? Länge (length), Zeit (time) usw. werden physikalische Größen (physical quantities) genannt. Eine physikalische Größe ist dann vollständig festgelegt, wenn man ihren Zahlenwert (value) und ihre Einheit (unit) kennt. Der Zahlenwert gibt an, wie oft die Einheit in der Größe enthalten ist. Durch die Messung von physikalischen Größen lassen sich viele Naturgesetze finden und bestätigen. Das Meter als Einheit für die Länge und die Sekunde als Einheit für die Zeit sind dir vom Mathematikunterricht her schon bekannt. Sie sind, wie alle anderen physikalischen Einheiten, durch ein Bundesgesetz (Maß- und Eichgesetz) festgelegt. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 2.1 Welche Versuche kennst du noch? Bereite einen Versuch vor und führe ihn durch. 2.2 Welche Messgeräte kennst du? 2.6 Wassertropfen auf einer Küchenrolle 2.7 Wassertropfen auf einer Kunststofffolie 2.8 Dehnung eines Gummibandes 2.9 Längen- und Zeitmessung Experimente verwendet man zur genauen Messung und Bestätigung der vermuteten Naturgesetze. Jedes Messergebnis wird durch eine physikalische Größe beschrieben, die mit einem Zahlenwert und durch eine Einheit angegeben wird. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 Die Welt, in der wir uns bewegen Die Kenntnis der Bewegung und deren Ursachen – die Kräfte – ermöglichen es, Bahnen zu berechnen. So kann man Raketen zum Mond schicken oder feststellen, ob ein Komet der Erde gefährlich werden könnte. Im Sport wird der Bewegungsablauf bei Athletinnen und Athleten verbessert. Wenn du bei deinem Fahrrad zu treten aufhörst, wird es stehen bleiben. Es scheint so, als wäre eine Kraft nötig, um etwas in Bewegung zu halten. Für eine Geschwindigkeitsänderung, wie beschleunigen, abbremsen oder eine Kurve fahren, ist eine Kraft notwendig. Das erkannten schon Galileo Galilei und Sir Isaac Newton. Sie stellten auch fest, dass sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegen würde, wenn man alle Reibungskräfte ausschalten könnte. Mehrfachbelichtungen machen Bewegungsabläufe sichtbar. Was ist die Ursache für eine Bewegung? Welche Bewegungsformen gibt es? Ein Gepard jagt seine Beute. Welche Geschwindigkeit kann er erreichen? Wenn du mit deinem Fahrrad fährst, führst du damit unterschiedliche Bewegungen aus: Zuerst beschleunigst du, dann fährst du beispielsweise ein Stück geradeaus mit konstanter Geschwindigkeit. Vor einer Kurve musst du etwas abbremsen, damit du ihr folgen kannst. Auch der Gepard beschleunigt, läuft einige Sekunden mit einer Höchstgeschwindigkeit bis zu 100 km/h und bremst dann ab – sowohl wenn er seine Beute erwischt, als auch wenn er sie verfehlt hat. Bei einer Bewegung wird eine Strecke zurückgelegt. Beispielsweise beschreibt deine Hand eine bestimmte Bahn, wenn du einen Ball wirfst. Je weniger Zeit du dafür brauchst, desto größer ist die Geschwindigkeit deiner Hand. Wenn sich auch die Geschwindigkeit ändert, wie beim Beschleunigen oder Abbremsen, spricht man von Beschleunigung. Mit den „Bewegungsgrößen“ Bahn, Geschwindigkeit und Beschleunigung werden wir uns noch genauer beschäftigen. Viele Bewegungen können wir durch zwei Modelle annähern: durch die geradlinige Bewegung und durch die Kreisbewegung. Weiters können wir noch beachten, ob wir beschleunigen oder abbremsen oder ob unsere Geschwindigkeit gleich bleibt. Eine Langzeitbelichtung zeigt die scheinbare Kreisbewegung der Sterne. Ihre Ursache ist die Drehung der Erde. Langzeitbelichtung des Sternenhimmels. Was bewegt sich? Wie lässt sich eine Bewegung beschreiben? Wie wird hier Bewegung sichtbar gemacht? Wofür ist die Kenntnis der Bewegungsabläufe wichtig? Bonusmaterial Ó 95x5r5 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 Bewegung 3 Bewegungsarten In Natur und Technik gibt es überall Bewegung. Wohin man schaut, bewegt sich etwas. Könnte man Atome sehen, so würde man feststellen, dass auch diese in Bewegung sind. Daher ist es wichtig, Bewegungsarten zu erkennen und diese genau zu beschreiben. Welche Körper bewegen sich von selbst und welche benötigen einen technischen Antrieb? Wenn du mit deinem Fahrrad zur Schule fährst, führst du damit sehr unterschiedliche Bewegungen aus. Wir wollen gemeinsam versuchen, die verschiedenen Bewegungsarten physikalisch richtig zu beschreiben. Solange du mit dem Fahrrad stehst, befindest du dich in Ruhe. Deine Geschwindigkeit (velocity) ist Null. Beim Anfahren wirst du schneller, deine Geschwindigkeit nimmt zu. Du führst eine beschleunigte Bewegung aus. Nach einiger Zeit können wir annehmen, dass sich deine Geschwindigkeit nicht mehr ändert. Dabei legst du in gleich langen Zeitabschnitten gleich große Wegstrecken zurück. Vor Kreuzungen musst du abbremsen und deine Geschwindigkeit verringern. Nun führst du eine verzögerte Bewegung aus. Am Ziel verringerst du deine Geschwindigkeit auf null und bist wieder in Ruhe. Je nach den Straßen- und Verkehrsverhältnissen führst du also abwechselnd eine gleichförmige, eine beschleunigte oder eine verzögerte Bewegung aus. Du veränderst dabei nicht nur die Größe (den Betrag) deiner Geschwindigkeit, sondern auch deine Fahrtrichtung. Die einfachste Bewegungsform ist die gleichförmige Bewegung, die geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit durchgeführt wird. Wir wollen sie nun etwas näher untersuchen. Versuch: Einige Schülerinnen und Schüler stellen sich am Gang oder auf der Laufbahn in gleichen Abständen (z. B. 3m) geradlinig auf (Abb. 3.1). Alle erhalten eine Stoppuhr. Auf ein Startsignal geht eine Person in gleichbleibendem Tempo an den anderen vorbei. Die einzelnen Schülerinnen und Schüler stoppen die Zeit, die vom Startsignal bis zu dem Augenblick, in dem die Person (unscharfe Person am rechten Bildrand) an ihnen vorbeigeht, vergangen ist. Die Messergebnisse werden in eine Tabelle eingetragen (Tab. 3.2). Länge der einzelnen Strecken in m Gesamtweg s in m Zeit t in s v = s/t in m/s 3 3 1 3 : 1 = 3 3 6 2 6 : 2 = 3 3 9 3 9 : 3 = 3 3 12 4 12 : 4 = 3 3 15 5 15 : 5 = 3 3.2 Tabelle der Messergebnisse bei einer gleichförmigen Bewegung Wie kann man Bewegung beschreiben? 3.1 Zeit-Weg-Messung 3.3 Zeit-Weg-Diagramm s in cm t in s 15 14 13 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 10 1 2 3 4 5 7,5 2,5 3,3 1 ∆s Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 Du wirst feststellen, dass die Versuchsperson in gleichen Zeiten ungefähr gleiche Strecken zurückgelegt hat. Ihre Geschwindigkeit bleibt also gleich. Man sagt, sie hat eine gleichförmige Bewegung ausgeführt. In Kapitel 4 findest du, wie du die Geschwindigkeit berechnen kannst. Eine geradlinige Bewegung heißt gleichförmig, wenn in gleichen Zeitabschnitten gleich lange Strecken zurückgelegt werden. Dabei ändert sich die Geschwindigkeit nicht. Man sagt, die Geschwindigkeit bleibt konstant. Um den Zusammenhang zwischen Zeit und Weg grafisch zu veranschaulichen, werden die Messwerte der Versuchsreihe (Tab. 3.2) in ein Zeit-WegDiagramm eingetragen (Abb. 3.3). Die Messpunkte liegen, abgesehen von Messungenauigkeiten, auf einer Geraden. Versuch: Zeichne die Werte in ein Diagramm oder fertige es am Computer an. Du hast gemessen, wie weit die Versuchsperson nach 2 s oder 3 s war. Aber wie weit war sie nach 2,5 s? Aus dem Zeit-Weg-Diagramm (Abb. 3.3) kann man das sehr leicht ohne weitere Messungen herauslesen. Man kann Zwischenwerte angeben. Die roten Linien zeigen: Nach 2,5 s hat die Versuchsperson ca. 7,5m zurückgelegt. Die grünen Linien zeigen: Für eine Strecke von 10m benötigt sie ca. 3,3 s. Das Zeit-Weg-Diagramm einer gleichförmigen Bewegung zeigt eine Gerade. Sie ist umso steiler, je größer die Geschwindigkeit ist. Für Bewegungen mit Überschallgeschwindigkeit gibt man oft die so genannte Machzahl an. Dabei heißt z. B. Mach 2, dass sich das Objekt mit zweifacher Schallgeschwindigkeit, also mit 680m/s = 2 448 km/h durch die Luft bewegt. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 3.1 Wiederhole den Versuch in Abb. 3.1, wobei die Versuchsperson schneller bzw. langsamer geht! Werte die Messergebnisse ähnlich wie in Tab. 3.2 aus. Zeichne das dazugehörige Zeit-Weg-Diagramm. 3.2 Versuche deinen Schulweg in ein Diagramm zu zeichnen! Nimm dafür an, dass du geradlinig zur Schule gehst. 3.6 Die F-15 Strike Eagle gilt mit Mach 2,82 (3000 km/h in 13 000m Höhe) als eines der schnellsten bemannten Düsenflugzeuge. Elektron im Draht 0,0003m/s 1m/h Schnecke 0,001m/s 3,6m/h Fußgänger/-in 1,5m/s 5,4 km/h Radfahrer/-in 5m/s 18 km/h Fallschirmspringer/-in 6m/s 21,6 km/h 100-m-Läufer/-in 10m/s 36 km/h Erlaubte Höchstgeschwindigkeit im Ortsgebiet 13,9m/s 50 km/h Brieftaube 20m/s 72 km/h Windstärke 12 30m/s 108 km/h Nervenreiz 100m/s 360 km/h Düsenflugzeug 300m/s 1080 km/h Erdrotationsgeschwindigkeit am Äquator 463m/s 1666 km/h Schallgeschwindigkeit (in Luft) 340m/s 1224 km/h Gasmoleküle (Stickstoff, Sauerstoffbei Zimmertemperatur 500m/s 1800 km/h Raumschiff nach Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nach Mondflug 11 100m/s 40 000 km/h Erde auf ihrer Bahn um die Sonne 30 000m/s 108 000 km/h Licht (im Vakuum und in der Luft) 300 000 km/s 1080 000 000 km/h 3.4 Beispiele für Geschwindigkeiten 3.5 Zeitmessung bei einem 100-m-Lauf Bewegungen von Körpern können mit Zeit-Weg-Diagrammen dargestellt werden. Aus solchen Diagrammen kannst du ablesen, ob ein Körper schneller oder langsamer wird, ob seine Geschwindigkeit gleich bleibt, oder ob er still steht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
12 4 Die Geschwindigkeit Tabelle 3.4 zeigt dir an Beispielen, welche Geschwindigkeiten in Natur und Technik auftreten. Aber welche Bewegung ist schneller als die andere? Das kann mit Hilfe der Geschwindigkeit beantwortet werden. David und Julia laufen auf einer geraden Laufbahn um die Wette. Sie starten gleichzeitig und laufen die gleich lange Strecke. Wer zuerst das Ziel erreicht ist am schnellsten gerannt und gewinnt. Für den schnelleren Läufer zeigt eine Stoppuhr eine kürzere Zeit an. Was ist aber, wenn sie unterschiedliche Strecken laufen? David läuft 60m und benötigt dafür 12 s. Julia läuft 100m und benötigt dafür 16 s. Wer von den beiden ist jetzt schneller gelaufen? Am einfachsten kannst du diese Frage beantworten, wenn du ausrechnest, wie viele Meter beide pro Sekunde durchschnittlich zurückgelegt haben. Dazu führen wir folgende Rechnungen aus: David: 60 : 12 = 5 Julia: 100 : 16 = 6,25 Er hat in einer Sekunde durchschnittlich 5m zurückgelegt. Man sagt auch, er legt 5m pro s zurück, und schreibt dafür kurz 5m/s. Sie hat in einer Sekunde durchschnittlich 6,25m zurückgelegt. Man sagt auch, sie legt 6,25m pro s zurück und schreibt dafür kurz 6,25m/s. Bei der Rechnung haben wir den Zahlenwert der zurückgelegten Strecke s durch den der dafür benötigten Zeit t dividiert. Wir bezeichnen diesen Quotienten als mittlere Geschwindigkeit v. Geschwindigkeit = zurückgelegte Strecke ____________________ dafür benötigte Zeitdauer v = s __ t 1 Für die Geschwindigkeit verwendet man als Einheit: 1 Meter pro Sekunde (1m/s) oder 1 Kilometer pro Stunde (1 km/h) Nun wollen wir eine beschleunigte, geradlinige Bewegung untersuchen. Das ist eine Bewegung, bei der sich die Geschwindigkeit ändert. Verwende eine Fahrbahn mit einem Wagen und hebe eine Seite der Fahrbahn um ca. 2 cm (Abb. 4.1)! Markiere die Fahrbahn in Abständen von 20 cm. Lasse den Wagen los und stoppe mit der Stoppuhr die Zeit, zu der der Wagen eine Markierung erreicht. Wiederhole das so oft, bis du die Zeiten für alle Markierungen gemessen hast. Dabei ergeben sich Werte, wie sie in Tabelle 4.2 eingetragen wurden. Zeit t in s Gesamtweg s in cm Abstand benachbarter Markierungspunkte in cm Zeitintervall Mittlere Geschwindigkeit v in den einzelnen Intervallen in cm/s 1,75 20 20 1,75 20/1,75 = 11,4 2,47 40 20 0,72 80/0,72 = 27,8 3,03 60 20 0,56 20/0,56 = 35,7 3,50 80 20 0,47 20/0,47 = 42,6 3,91 100 20 0,41 20/0,41 = 48,8 4.2 Tabelle zur Messung einer beschleunigten Bewegung Gibt es eine maximale Geschwindigkeit? 4.1 Beschleunigte Bewegung auf schiefer Ebene Die Fahrbahn ist um 2 cm angehoben. Stoppe die Zeit, wenn der Wagen an der Markierung vorbei fährt! 1 s nach space (engl.) … Abstand, Raum t nach time (engl.) … Zeit v nach velocity (engl.) … Geschwindigkeit 4.3 Zeit-Weg-Diagramm einer beschleunigten Bewegung s in cm t in s 100 90 80 60 50 40 30 20 10 0 70 1 2 3 4 5 26 3,3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
13 Versuch: Trägst du diese Messwerte wieder in ein Zeit-Weg-Diagramm ein, so liegen die zugehörigen Punkte nicht auf einer Geraden. Verbindet man die Messpunkte durch eine Kurve ohne Knick, so ergibt sich das in Abb. 4.3 dargestellte Schaubild. Aus dem Zeit-Weg-Diagramm können wir wieder verschiedene Zwischenwerte ablesen. So hat der Wagen z. B. nach 2 Sekunden zirka 26 cm zurückgelegt (rote Linie). Für eine Strecke von 70 cm benötigt er zirka 3,3 Sekunden (grüne Linie). Mit Hilfe des GPS (Global Positioning System) kann ein elektronisches Navigationssystem die Spur (track) einer Bewegung mitschreiben. Solche Applets gibt es auch auf Smartphones. Ort (Position) und Zeit werden regelmäßig in einen Speicher geschrieben. Diese Daten lassen sich elektronisch in eine Karte einzeichnen. Das Ergebnis kann wie in Abb. 4.4 aussehen. Die Spur im Navigationssystem zeigt, dass die Bewegungen normalerweise nicht geradlinig verlaufen. Daher ist es wichtig, bei Geschwindigkeiten nicht nur anzugeben, wie schnell du bist, sondern auch die Richtung, wohin du dich bewegst. Wenn du sagst, ich fahre mit meinem Fahrrad von einer Stelle mit 10 km/h weg, so weiß niemand, wo du ankommen wirst. Du musst immer dazu sagen, in welche Richtung du dich bewegst. Das wird besonders beim Kurvenfahren interessant. Du fährst zwar eine Kurve immer gleich schnell, änderst dabei aber ständig deine Richtung. Genaueres dazu erfährst du im Lehrbuch der 4. Klasse. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 4.1 Welche durchschnittliche Geschwindigkeit in m/s bzw. km/h hat ein Marathonläufer, wenn er die Strecke von 42 km in 2h 15min zurücklegt? 4.2 Wie lange braucht das Licht von der Sonne zur Erde? 4.3 Beschreibe die in Abb. 4.5 dargestellten Bewegungsabschnitte. 4.4 Zeige: 3,6 km/h = 1m/s 4.4 Bild eines GPS-Tracks 4.5 Diagramm zu Aufgabe 4.3 s in cm t in s 60 40 20 0 2 4 6 8 10 4.6 Der Wanderfalke kann beim Jagen im Sturzflug mehr als 300 km/h erreichen. 4.7 Auf der 200-Meter-Laufstrecke werden die höchsten Durchschnittsgeschwindigkeiten erzielt (Weltrekord von Usain Bolt, 2009 mit 37,52 km/h). Geschwindigkeit = zurückgelegte Strecke ___________________ dafür benötigte Zeitdauer v = s _ t Mit Hilfe der Geschwindigkeit kann man Bewegungsvorgänge beschreiben und vergleichen. Zur vollständigen Festlegung einer Geschwindigkeit ist die Angabe ihrer Größe (ihres Betrags) und ihrer Richtung erforderlich. Wir unterscheiden gleichförmige, beschleunigte und verzögerte Bewegungen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
14 Masse und Kraft 5 Trägheit und Masse Du bist sicherlich schon mit dem Auto, mit der Eisenbahn oder mit der Straßenbahn gefahren und hast erlebt, wie diese Fahrzeuge plötzlich abgebremst wurden. Beschreibe, was du dabei gespürt hast (Abb. 5.1). Lose Gepäckstücke und vielleicht auch du selbst wurden dabei recht unsanft in Fahrtrichtung geschleudert. Beim raschen Anfahren tritt die entgegengesetzte Wirkung auf. Sitzt du in Fahrtrichtung, spürst du, dass du in den Sitz gedrückt wirst, und zwar umso stärker, je schneller sich das Fahrzeug in Bewegung setzt. Sitzt du entgegengesetzt zur Fahrtrichtung, und das Fahrzeug setzt sich sehr schnell in Bewegung, kann es passieren, dass du vom Sitz rutschst. Du hast das Gefühl, als ob das Fahrzeug unter dir wegfährt. Versuch: Nimm ein Massestück (z. B. 5 kg) und befestige daran einen dünnen Faden (Abb. 5.2). Versuche, das Massestück schnell am Faden hochzuziehen. Beschreibe deine Beobachtung. Das Massestück ist bestrebt, am selben Ort zu verharren und nicht der Bewegung des Fadens zu folgen – der Faden reißt. Wenn du langsam aufhebst, wird der Faden nicht abreißen. Versuch: Hänge zwei gleich große Kugeln aus Eisen und aus Styropor nebeneinander an zwei gleich lange Fäden (ca. 1m). Versuche nun, beide durch Anblasen mit einem Föhn in Bewegung zu setzen (Abb. 5.3). Bei der Styroporkugel gelingt dies sehr leicht, bei der Eisenkugel hingegen ist das viel schwieriger. Aus diesen Beispielen erkennen wir: Beim Versuch, einen Körper in Bewegung zu setzen oder ihn abzubremsen, spüren wir einen Widerstand. Diesen Widerstand nennen wir Trägheit oder Beharrungsvermögen (inertia). Jeder Körper hat die Eigenschaft der Trägheit. Es lässt sich zeigen, dass die Trägheit eines Körpers überall gleich groß ist. Sowohl in Raumschiffen als auch auf dem Mond zeigt ein Körper dieselbe Trägheit wie auf der Erde. Mit den bisher besprochenen Eigenschaften der Körper lässt sich die Trägheit nicht begründen. Für ihre Erklärung ist vielmehr eine weitere Körpereigenschaft notwendig. Wir führen dazu eine physikalische Größe ein und nennen sie die Masse m (mass) des Körpers. Die Masse ist eine Eigenschaft aller Körper. 5.1 Crashtest: Aufprall eines Fahrzeugs unter kontrollierten Bedingungen Warum ist es unbedingt notwendig, sich im Auto anzugurten? 5.2 Beim raschen Hochziehen reißt der Faden. 5.3 Von zwei gleich großen Kugeln aus Eisen und Styropor kann die Styroporkugel durch Anblasen viel leichter in Bewegung gesetzt werden als die Eisenkugel. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
15 Jeder Körper hat eine bestimmte Masse. Die Masse ist die Ursache für seine Trägheit. Bei der Eisenkugel stellten wir eine größere Trägheit fest als bei der gleich großen Styroporkugel. Die Eisenkugel hat eine größere Masse als die Styroporkugel. Mit Hilfe der Masse kann man die Trägheitserscheinungen, die man z. B. beim Beschleunigen und Abbremsen oder bei der Kurvenfahrt von Fahrzeugen spürt, erklären. Wegen der Trägheit seiner Masse fliegt z. B. ein geworfener Ball eine gewisse Zeit weiter. Auch beim Kugelstoßen hängt die beim Abstoß erreichbare Geschwindigkeit unter anderem von der Masse der Kugel ab. Die Einheit der Masse (m) ist das Kilogramm (kg). Das Kilogramm ist die Masse des in Sèvres bei Paris aufbewahrten Internationalen Kilogrammprototyps (Abb. 5.4). 1 kg = 100dag = 1000g 1 g = 10dg = 100 cg = 1000mg 1 t = 1000 kg Die Masse eines Körpers wird mit einer Waage bestimmt. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 5.1 Diskutiere, welchen Zweck ein Sicherheitsgurt im Auto hat. 5.2 Wie könnte man in der Schwerelosigkeit die Eisenkugel und die Styroporkugel unterscheiden, wenn sie mit gleicher Farbe lackiert wurden? 5.3 Kann ein Mensch einen Eisenbahnwaggon anschieben? Warum fällt ihm das so schwer? 5.4 Führe den in Abb. 5.5 dargestellten Versuch durch. Wie kannst du ihn erklären? 5.5 Warum ist ein Medizinball nicht zum Fußballspielen geeignet? 5.6 Warum bleibt ein Auto nicht sofort stehen, wenn man auf die Bremse tritt? 5.7 Warum bleibt ein 100-m-Läufer nicht unmittelbar nach dem Ziel stehen? 5.8 Stelle einen mit Wasser gefüllten Teller auf den Tisch und zieh ruckartig an (Abb. 5.6). Was geschieht? 5.9 Warum ist es sinnvoll, beim Radfahren einen Fahrradhelm zu tragen? 5.4 Das „alte“ Urkilogramm (rechts) wurde im Mai 2019 durch eine Kugel aus hochreinem Silizium ersetzt. 5.5 Die Münze ist träge. 5.6 Auch Flüssigkeiten sind träge. Die Masse m eines Körpers gibt an, wie stark sich dieser einer Bewegungsänderung widersetzt (Trägheit). Die Einheit der Masse ist 1 kg. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
16 6 Kräfte und Ihre Wirkungen Im täglichen Leben hast du es oft mit Kräften zu tun: Zuerst denkst du dabei sicherlich an deine Muskelkraft und an das, was du mit ihr bewirken kannst. Beim Magnet kannst du Anziehung und Abstoßung beobachten. Abb. 2.4 zeigt die Wirkung von sogenannten elektrischen Kräften. Im Folgenden werden weitere Vorgänge gezeigt, die durch Kräfte (forces) beschrieben werden können. Wir können Kräfte nicht sehen, wir können nur ihre Wirkungen feststellen. Um z. B. einen ruhenden Körper in Bewegung zu setzen, ist wegen seiner Trägheit eine Kraft notwendig. Eine Kraft ist auch erforderlich, wenn man die Geschwindigkeit eines bewegten Körpers ändern will, d. h., wenn der Körper beschleunigt oder abgebremst (verzögert) werden soll. Aber auch für das Dehnen einer Feder oder für das Halten einer Tasche ist eine Kraft notwendig. Man kann das Wirken von Kräften daran erkennen, dass sie bei Körpern eine Änderung der Geschwindigkeit oder eine Verformung hervorrufen. Kräfte und ihre Wirkungen können wir überall finden. Kräfte werden z. B. zum Pressen und Formen von Blechen in der Kraftfahrzeugfertigung eingesetzt (Abb. 6.5). Baustahl wird für Betonträger mit Muskelkraft oder mit geeigneten Maschinen formgerecht zurechtgebogen. Zerstörerische Auswirkungen zeigen meistens die Kräfte, die bei Verkehrsunfällen auftreten. Beim Zusammenstoß von Autos werden ihre Karosserien verbeult. Menschen werden dabei oft schwer verletzt. Deswegen ist es wichtig, sich beim Autofahren anzuschnallen. Kann man Kräfte sehen? 6.1 Kugelstoßen 6.2 Raketenstart 6.3 Dehnen eines Expanders 6.4 Tragen einer Schultasche Auftretende Kräfte Muskelkraft, Trägheitskraft der Kugel Trägheitskraft und Gewicht der Rakete, Schubkraft der Triebwerke Muskelkraft, Federkraft Muskelkraft, Gewichtskraft der Tasche Wirkung Verformung der Muskeln, Bewegungsänderung der Kugel Die Geschwindigkeit der Rakete wird größer: Geschwindigkeitsänderung. Verformung der Muskeln, Dehnung (Verformung der Federn) Anspannung und Verformung der Muskeln, Verformung der Schultasche 6.5 Blech wird mit einer Maschine geformt. Kräfte sind die Ursachen für Verformungen und Geschwindigkeitsänderungen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
17 7 Messung von Kräften Auf Jahrmärkten gibt es Geräte („Watschenmann“, „Hau den Lukas“), die es den Menschen ermöglichen, ihre Kräfte zu messen und zu vergleichen (Abb. 7.1). Meistens wird die Kraft durch Verformung eines Körpers (z. B. einer Feder) gemessen. Man kann also Kräfte mit Hilfe ihrer verformenden Wirkung miteinander vergleichen. Versuch: Hänge an einer Schraubenfeder einen Körper auf und bestimme die dadurch hervorgerufene Längenänderung der Feder. Führe dann genau die gleiche Längenänderung durch deine Muskelkraft herbei (Abb. 7.2)! Eine Schraubenfeder kann sowohl durch deine Muskelkraft, als auch durch einen angehängten Körper gedehnt und verformt werden. Der angehängte Körper übt nämlich auf die Feder ebenfalls eine Kraft aus. Diese kommt infolge seiner Anziehung durch die Erde oder, wie man auch sagt, durch die Schwerkraft (gravity) zustande. Aus der gleichen Dehnung der Feder können wir schließen, dass die beiden Kräfte gleich groß sind. Versuch: Hänge eine Schraubenfeder auf und belaste sie mit verschiedenen Massestücken. Miss die jeweilige Verlängerung der Feder. Der Versuch zeigt, dass die Dehnung der Feder umso größer ist, je größer die Kraft ist. Bei doppelt so großer Dehnung können wir auf eine doppelt so große Kraft schließen. Darauf beruht das Prinzip des Kraftmessers (Abb. 7.3). Der Kraftmesser, auch Federkraftmesser, besteht im Wesentlichen aus einer Schraubenfeder. Diese dehnt sich gleichmäßig (proportional) mit der Kraft (Abb. 7.4). Sie ist meistens in einer Hülse mit einer Skala untergebracht. An dieser kann man die Kraft ablesen. Heute verwendet man vielfach elektronische Kraftmessgeräte (Abb. 7.5). Kräfte werden meistens mit F 1 bezeichnet. Auch die Kraft ist eine physikalische Größe. Daher muss es möglich sein, ihre Größe (Betrag) mit einem Zahlenwert und einer Einheit anzugeben. Die Einheit der Kraft ist ein Newton2 (1N). Um eine Vorstellung von der Größe der Kraft 1 Newton zu bekommen, merken wir uns: Ein Körper, etwa eine Tafel Schokolade mit der Masse 10dag = 100g, wird von der Erde ungefähr mit der Gewichtskraft von 1N angezogen. 1 F nach force (engl.) … Kraft 2 Sir Isaac Newton … engl. Physiker (1643–1727) Wie groß können Kräfte werden? 7.1 Kräftemessen am Jahrmarkt 7.2 Zur Dehnung der Schraubenfeder kann der angehängte Körper durch unsere Muskelkraft ersetzt werden. 7.3 Federkraftmesser: Die Längenänderung der Feder entspricht der Größe der Kraft. Längenänderung in cm Kraft in N 1 0 2 3 4 3 2 1 7.4 Abhängigkeit der Längenänderung der Feder von der Größe der Kraft Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
18 Aus Kapitel 6 weißt du, dass du Kraft brauchst, um einen Körper in Bewegung zu setzen. Damit legt man die Maßeinheit der Kraft fest: Ein Newton (1N) ist jene Kraft, die notwendig ist, um eine Masse von 1 kg vom Ruhezustand aus innerhalb einer Sekunde auf die Geschwindigkeit von 1m/s zu bringen. Der folgende Versuch soll nun zeigen, dass die Wirkung einer Kraft nicht allein von ihrer Größe abhängt: Befestige an der Lehne eines Sessels eine Schnur und zieh daran nach verschiedenen Richtungen: Was geschieht mit dem Sessel, wenn du zuerst nach oben, dann in waagrechter Richtung und schließlich lotrecht nach unten ziehst? Die Wirkung einer Kraft hängt also außer von ihrer Größe (vom Betrag) auch von ihrer Richtung ab. Wir wollen nun den Sessel kippen und messen die dafür notwendige Kraft. Was gilt für die Kraft F2, die tiefer als F1 am Sessel angreift (Abb. 7.6)? Knüpfe dann die Schnur sehr tief am Sesselbein fest. Beschreibe nun die Kraftwirkung. Die Wirkung der Kraft hängt auch vom Befestigungspunkt der Schnur ab. Wir nennen ihn den Angriffspunkt der Kraft. Die Wirkung einer Kraft hängt von ihrer Größe, ihrer Richtung und von ihrem Angriffspunkt ab. Du kannst Kräfte zeichnerisch durch Pfeile darstellen. Dabei beginnt der Pfeil im Angriffspunkt A und zeigt in die Richtung der Kraft. Seine Länge entspricht der Größe (dem Betrag) der Kraft. Die Gerade, auf der der Kraftpfeil liegt, nennt man die Wirkungslinie der Kraft (Abb. 7.7). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 7.1 Warum kann die Dehnung einer Feder zum Messen von Kräften verwendet werden? 7.2 Wohin stellst du dich auf ein Sprungbrett, damit es sich möglichst stark durchbiegt? 7.3 Drücke den Zusammenhang zwischen der Größe einer Kraft und der durch sie verursachten Dehnung einer Feder mit einem „Je …, desto …“ Satz aus. 7.5 Elektronischer Kraftmesser F1 F2 F3 7.6 Je tiefer der Angriffspunkt der Kraft liegt, desto größer muss die Kraft sein, um den Sessel zu kippen (F2 > F1). Durch die Kraft F3 wird der Sessel nicht gekippt, sondern gezogen. 7.7 Darstellung einer Kraft a) Der gespannte Faden gibt die Kraftrichtung an. b) Der Kraftmesser zeigt die Größe der Kraft an. c) Der Kraftpfeil gibt die Richtung und die Größe der Kraft an. Krafteinheit Wirkungslinie Kraftpfeil A A Angriffspunkt A a) b) c) Der Kraftmesser gibt die Größe der Kraft an. Der gespannte Faden gibt die Richtung der Kraft an. Eine Kraft ist durch ihren Angriffspunkt, ihre Richtung und ihre Größe (ihren Betrag) bestimmt. Sie wird durch einen Kraftpfeil dargestellt. Die Einheit der Kraft ist ein Newton (N). Die Wirkung einer Kraft hängt von ihrer Größe, ihrer Richtung und von ihrem Angriffspunkt ab. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
19 8 Kraft und Gegenkraft Der Lügenbaron Freiherr von Münchhausen hat immer wieder eigenartige, unglaubwürdige Geschichten erzählt. Einmal hat er behauptet, dass er sich selbst an den Haaren aus einem Sumpf ziehen könnte. Ist das physikalisch möglich (Abb. 8.1)? Versuch: Eine Skaterin und ein Skater stehen auf ihren Skateboards gegenüber. Sie haben beide die Enden eines Seils in der Hand. Nun zieht der eine am Seil. Was passiert, wenn die andere zieht (Abb. 8.2)? Man erkennt, dass sich in jedem Fall beide bewegen. Damit sie sich bewegen, sind Kräfte notwendig. Man könnte in das Seil Kraftmesser einbauen und den Vorgang genau untersuchen. Dann stellt man fest, dass auf beide in jedem Fall die gleich große Kraft wirkt. Allerdings sind die Kräfte immer entgegengesetzt, da sich auch die Skateboards in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Versuch: Hänge wie in Abb. 8.3 zwei Kraftmesser aneinander und ziehe an ihnen in entgegengesetzte Richtungen. Dabei soll die Verbindungsstelle der Kraftmesser in Ruhe bleiben. Vergleiche die von den beiden Kraftmessern angezeigten Kräfte! Aus den beiden Versuchen lernen wir: Kräfte treten immer paarweise auf und wirken entlang ihrer Wirkungslinie von einem Körper auf einen anderen. Sie sind immer entgegengesetzt gerichtet und gleich groß. Zu jeder Kraft muss auch eine Gegenkraft wirksam werden. So ist die Muskelkraft Gegenkraft zum Gewicht beim Tragen einer Tasche, beim Expander zur Federkraft. Auch zwischen zwei Magneten wirken Kraft und die entsprechende Gegenkraft. Übrigens: Münchhausen könnte sich nicht selbst aus dem Sumpf ziehen. Denn Kraft und Gegenkraft müssen immer zwischen zwei Körpern angreifen. Er müsste sich daher irgendwo abstützen können. Das ist aber in einem Sumpf sehr schwer möglich. Es ist auch möglich, dass sich die Wirkung von zwei oder mehreren Kräften auf einen Körper aufhebt und der Körper in Ruhe bleibt. Man sagt dann, die Kräfte befinden sich im Gleichgewicht (Abb. 8.4). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 8.1 Wie wirken sich beim Radfahren Rückenwind bzw. Gegenwind aus? Begründe die Wirkungen. 8.2 Gib weitere Beispiele für Kraft und Gegenkraft an. Konnte sich Münchhausen selbst an den Haaren aus dem Sumpf ziehen? 8.1 Münchhausen zieht sich aus dem Sumpf. 8.2 Skater und Skaterin ziehen an einem Seil. 8.4 Vier Kräfte greifen im selben Punkt an. 8.3 Ein Schüler und eine Schülerin ziehen an je einem Kraftmesser in entgegengesetzten Richtungen. „In die Kreuz und in die Quer reißen sie sich hin und her.“ (aus Wilhelm Busch, Max und Moritz) Zu jeder Kraft gibt es eine Gegenkraft. Kraft und Gegenkraft wirken immer von einem Körper auf einen anderen, sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Kräfte befinden sich im Gleichgewicht, wenn sie sich in ihrer Wirkung aufheben. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
20 9 Gewichtskraft Alle Körper fallen zur Erde, wenn wir sie auslassen. Sie werden von der Erde angezogen. Diese Anziehung kommt allerdings ohne irgendeine sichtbare Verbindung zwischen Erde und Körper zustande. Du spürst sie, wenn du einen Körper aufhebst oder trägst. Dabei wirkt deine Muskelkraft der Anziehung des Körpers durch die Erde entgegen. Die Anziehungskraft der Erde auf einen Körper ist dir aus dem täglichen Sprachgebrauch als sein Gewicht (weight) bekannt. So sagen wir: „Alle Körper haben ein Gewicht, sie sind schwer“. Du merkst das Gewicht durch die Zugkraft, die du beim Hochheben eines Körpers spürst, oder durch die Druckkraft, die eine Last z. B. auf deine Schultern ausübt. Eine Feder wird, wie man in Abb. 9.1 sieht, durch das Gewicht eines Körpers gedehnt. Die Gewichtskraft oder kurz Gewicht FG eines Körpers ist jene Kraft, mit der er von der Erde angezogen wird. Das Gewicht wird – wie jede Kraft – in Newton gemessen. Eine genauere Aussage über das Gewicht eines Körpers gibt dir der folgende Versuch: Versuch: Nimm zwei gleich beschaffene Federkraftmesser und hänge an den ersten eine Holzkugel, an den zweiten eine Kugel aus Eisen mit gleichem Durchmesser! Beide Federkraftmesser zeigen einen Wert an (Abb. 9.1). Vergleiche die beiden Messwerte. Der Messwert für die Eisenkugel ist etwa zehnmal so groß wie der für die Holzkugel. Daraus kannst du schließen, dass die Eisenkugel zehnmal stärker von der Erde angezogen wird als die gleich große Holzkugel. Sie hat also ein zehnmal größeres Gewicht. Dies spürst du sehr deutlich, wenn du die beiden Kugeln in die Hand nimmst. Du weißt bereits, dass die Eisenkugel eine größere Masse als die Holzkugel hat. Der Versuch zeigt, dass der Körper mit der größeren Masse auch das größere Gewicht hat. Er wird stärker von der Erde angezogen. Wir können daher die Anziehung eines Körpers durch die Erde auf seine Masse zurückführen. Genaue Messungen haben ergeben, dass sich das Gewicht eines Körpers auch ein wenig von Ort zu Ort auf der Erde ändert. So ist es an den Polen etwas größer als am Äquator, im Tal größer als auf Bergen. Die Tabelle 9.2 gibt für einige Orte die genauen Zahlenwerte an. Orte, an denen ein Kilogrammstück von der Erde mit einer Kraft von 9,80665N angezogen wird, heißen Normorte (in Österreich im Gebiet von Bregenz und von Leoben). In Österreich ist es in den meisten Fällen hinreichend genau, für das Gewicht eines Körpers von 1 kg Masse den Näherungswert 9,81N zu verwenden. Die Forschung hat gezeigt, dass der Wert 9,81 die Fallbeschleunigung an der Erdoberfläche oder auch Erdbeschleunigung darstellt. Er wird mit g1 bezeichnet (g ≈ 9,81m/s²). Gibt man das Gewicht wirklich in kg an? 9.1 Die Eisenkugel (rechts) dehnt die Schraubenfeder etwa zehnmal so stark wie die gleich große Holzkugel. Graz 9,80708 N Innsbruck 9,80555 N Klagenfurt 9,80624 N Linz 9,80820 N Wien 9,80845 N Madrid 9,79966 N Moskau 9,81550 N Paris 9,80926 N Rom 9,80348 N Zürich 9,80652 N Pole 9,83220 N Äquator 9,78050 N 9.2 Gewicht eines Körpers von 1 kg Masse an verschiedenen Orten 1 g nach gravis (lat.) … schwer Nur zu Prü zwecken – Eigentum des Verlags öbv
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