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Arbeit und Energie

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Physik Siggi
Arbeit und Energie
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Arbeit und Energie

In diesem Video werden Arbeit und Energie näher unter die Lupe genommen. Zunächst lernst du, was man unter Arbeit und Energie überhaupt versteht. Danach wird anhand eines Beispiels anschaulich erklärt, wo man im täglichen Leben Energie findet, in welchen verschiedenen Formen sie vorkommt, und wie sie von einer Form in die andere umgewandelt werden kann. Zu Guter Letzt wird noch der Energieerhaltungssatz diskutiert. Auch dieser wird anhand von Beispielen erklärt.

Transkript Arbeit und Energie

Hallo! Ich bin euer Physik Siggi und ich werde euch heute erklären, was Arbeit physikalisch bedeutet und welche Energie darin enthalten ist. Es geht heute also um den Begriff der verrichteten Arbeit, die Energien, die damit verbunden sind, an welchen Stellen wir dies im täglichen Leben erfahren. Außerdem werde ich euch erklären, was der Energieerhaltungssatz ist und letztendlich alle Formeln dazu aufschreiben. Dazu benötigt ihr lediglich ein Vorwissen von der Fallbeschleunigung und der Kraft. Euch ist bestimmt schon die Definition von Kraft bekannt. Man benötigt Kraft, um eine bestimmte Masse "m" zu beschleunigen. Wendet man nun über eine bestimmte Strecke diese Kraft an, so verrichtet man Arbeit. Dies ist schon die Definition von Arbeit. Diese Arbeit verrichten wir, wenn wir z.B. einen Rucksack tragen, einen Einkaufswagen schieben oder Fahrrad fahren. Verrichten wir an einem Körper Arbeit, so nimmt dieser Energie auf. Die Arbeit ist demnach auch die Änderung der Energie des Körpers. Diese Energie kann der Körper wiederum nutzen, um neue Arbeit zu verrichten. Energie kann also beschrieben werden, als eine Charaktereigenschaft eines Körpers, die es ermöglicht, Arbeit zu leisten. Dies möchte ich euch an einem Beispiel im täglichen Leben veranschaulichen. Die Sonne versorgt unsere Erde ständig mit Energie in Form von Lichtenergie. Diese Energie nimmt ein kleiner Apfelbaum auf und nutzt sie zum Wachsen. Schließendlich kann dieser große Apfelbaum Früchte tragen. Diesen Apfel wiederum können wir essen. Und damit nutzen wir die Energie des Apfels für uns, um unsere Muskeln zu bewegen. Mit dieser Muskelkraft können wir nun einen Stein hochheben. Damit gewinnt der Stein an Energie, diese nennen wir potentielle Energie. Potential bedeutet im lateinischen: die Möglichkeit. Der Stein hat nun die Möglichkeit nach unten zu fallen, falls wir ihn loslassen. Die Größe der potentiellen Energie wird beschrieben aus der Masse des Steins, die Fallbeschleunigung × die Höhe, die er hat. Je höher der Stein ist, desto größer ist auch seine potentielle Energie, da er viel mehr Weg zurücklegen kann. Lassen wir nun den Stein fallen, so verringert sich seine potentielle Energie, da der Weg nach unten kleiner wird - die Höhe wird kleiner. Allerdings gewinnt er an einer anderen Energie, nämlich an Bewegungsenergie. Diese nennen wir kinetische Energie. Ihr wisst aus der Fallbeschleunigung, dass der Stein nach unten hin immer schneller wird. Kurz vor dem Boden ist seine Geschwindigkeit maximal. Allerdings hat er da auch keine Höhe mehr zum Boden, das heißt, seine potenzielle Energie ist gleich 0 geworden. Beim Aufprall wandelt sich die kinetische Energie wiederum in eine andere Energie um, diesmal vielleicht in Wärme, weil der Boden sich erwärmt oder in Verformungsenergie, weil der Stein zersplittert. Ihr seht also, dass in dem ganzen Prozess die gesamte Energie immer erhalten blieb, nur in verschiedene Formen umgewandelt wurde. Dies ist im Wesentlichen der Energieerhaltungssatz. Wir betrachten nun diese Energieerhaltung in einem abgeschlossenen mechanischen System. Dort sind 3 Energien vorhanden: die potentielle kennen wir schon, die kinetische Energie und die Rotationsenergie. Die kinetische Energie ist die Bewegungsenergie in gerader Richtung und die Rotationsenergie ist die Bewegungsenergie, wenn sich etwas dreht. Die Summe der Energien bleibt demnach immer gleich, hier als E-Gesamt dargestellt. Veranschaulichen wir dies an einem Pendel. Ist das Pendel ausgelenkt, hat es eine potentielle Energie, es bewegt sich nicht, das heißt, die kinetische Energie ist gleich 0. Später fällt das Pendel herunter, und die potentielle Energie wird geringer, jedoch die kinetische Energie größer. Am tiefsten Punkt ist die potentielle Energie gleich 0 und die kinetische Energiel maximal. Ist das Pendel wieder oben angekommen, ist die potentielle Energie wieder maximal und das Pendel steht für einen kurzen Moment, demnach ist die kinetische Energie gleich 0. Man kann nun das Verhalten dieser beiden Energien graphisch darstellen. Nach rechts tragen wir die Zeit auf, nach oben die Energie. Zeitlich geht es bei 0 los, nach einer halben Schwingung und nach der gesamten Schwingung. Die potentielle Energie ist zunächst maximal, bei der halben Schwingung bei 0 und wird dann wieder maximal. Die kinetische Energie verhält sich genau anders herum. Zur Wiederholung: Die Kraft ist die Masse mal Beschleunigung und ihre Einheit ist Newton. Die Arbeit ist die Kraft mal Weg, die Einheit ist Newton mal Meter oder auch Joule, abgekürzt. Die Energie hat die gleiche Einheit: Newton mal Meter, die potentielle wird als Masse mal Fallgeschwindigkeit mal Höhe dargestellt, die kinetische - das ist jetzt neu - ½mVˆ2, steigt also mit der Masse und der Geschwindigkeit. Ich hoffe, ihr könnt nun im täglichen Leben sehen, wie sich ständig die eine Form der Energie in eine andere umwandelt. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

14 Kommentare

14 Kommentare
  1. @tarik Mais bei mir auch habe das thema am anfang nicht so verstanden

    Von Melanie Obach, vor 6 Monaten
  2. danke für das tolle video
    das ist genau das thema was ich brauche

    Von Melanie Obach, vor 6 Monaten
  3. da regt sich was im hirrrrrn

    Von Tarik Mais, vor mehr als 2 Jahren
  4. Prüfungstraining zu diesem Thema. Es wird nichts angezeigt!

    Von Lisa H., vor mehr als 2 Jahren
  5. dcyvdsv

    Von Fraukelohaus, vor mehr als 3 Jahren
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Arbeit und Energie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Arbeit und Energie kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne den Unterschied zwischen Kraft und Arbeit.

    Tipps

    Kraft hat die Formel $F=m\cdot a$.

    Die Arbeit $W$ und die Energie $E$ haben die gleiche Einheit, das Joule.

    Lösung

    Zwischen Kraft und Arbeit gibt es ein paar kleine Unterschiede, sie gehören aber trotzdem beide zusammen.

    Die Kraft ist Masse mal Beschleunigung ($F=m\cdot a$). Also braucht man Kraft, um eine Masse zu beschleunigen.

    Bei der Arbeit kommt noch der Weg dazu, also $W=F\cdot s$. Man sagt: „Arbeit ist Kraft mal Weg.“

    Aber die Arbeit beschreibt auch eine „Energieänderung“. Wenn man z.B. etwas hochhebt, verändert man dessen potenzielle Energie und verrichtet Arbeit in Höhe der Energieänderung.

  • Beschreibe den Energieablauf von der Sonne in den Stein.

    Tipps

    Die Muskeln stehen für Energie, die man dann auf etwas anderes übertragen kann.

    Auf einer Lebensmittelverpackung stehen häufig Brennwerte in kJ (Kilo-Joule).

    Pflanzen können nur mit Sonnenlicht und Nährstoffen wachsen.

    Lösung

    Es ist doch erstaunlich, dass die Energie der Sonne über unsere Muskeln bis in einen Stein reicht.

    Denn durch die Energie der Sonne können Pflanzen wachsen, wenn wir diese essen, nehmen wir diese Energie auf. Das geschieht bei der Pflanze mit der Photosynthese und beim Menschen durch die Verdauung.

    (Wenn man Fleisch isst, passiert übrigens dasselbe, nur über den Umweg durch ein Tier.)

    Die Energie, die wir dann aufgenommen haben, können wir als Muskelkraft (also kinetische Energie) benutzen, um z.B. einen Stein aufzuheben. Dieser Stein bekommt durch das Hochheben eine potenzielle Energie.

    Und so ging die Energie der Sonne bis in den Stein.

  • Beschreibe die Umwandlung von Energie beim Fall.

    Tipps

    Die potenzielle Energie hängt von der Höhe ab.

    Die kinetische Energie hängt sehr stark von der Geschwindigkeit ab.

    Lösung

    Der Stein hat durch das Hochheben potenzielle Energie bekommen, aber wo geht die hin, wenn er wieder fällt?

    Sie wird in kinetische Energie umgewandelt, denn durch das Fallen verliert er zwar an Höhe (und damit an potenzieller Energie), aber bekommt eine Geschwindigkeit und damit kinetische Energie.

    Kurz vor dem Boden ist sie am größten, weil die potenzielle Energie komplett aufgebraucht wurde.

    Beim Aufprall wird die kinetische Energie dann in andere Energien umgewandelt, wie z.B. Wärmeenergie oder auch Verformungsenergie, wenn der Stein z.B. zerspringt.

  • Erkläre die Energieumwandlungen am Pendel.

    Tipps

    Die potenzielle Energie nennt man auch Lageenergie, weil etwas z.B. die Fähigkeit hat „zu fallen“. Je höher etwas angehoben wird, desto mehr potenzielle Energie hat es.

    Die kinetische Energie nennt man auch Bewegungsenergie, diese haben Körper, die sich bewegen. Bewegen sie sich schneller, steigt auch die kinetische Energie.

    Lösung

    Beim Pendel gibt es eine periodische Umwandlung von Energie, aus kinetischer Energie wird allmählich potenzielle Energie und andersherum.

    Am höchsten Punkt hat das Pendel nur potenzielle Energie, aber keine kinetische Energie.

    Je weiter es dann fällt, desto größer wird die kinetische Energie auf Kosten der potenziellen Energie.

    Ganz unten ist dann die potenzielle Energie vollständig aufgebraucht und es hat nur kinetische Energie.

    Dann schwingt es wieder hoch, wo die Umwandlung andersherum abläuft und aus der Kinetischen wieder potenzielle Energie wird, bis es wieder ganz oben nur noch potenzielle Energie hat.

  • Gib an, was die Arbeit ist.

    Tipps

    Durch die Arbeit verändert sich die Energie eines Körpers.

    Lösung

    Arbeit verrichtet man, wenn man eine Masse über einen bestimmten Weg beschleunigt. Also ist die Arbeit Kraft mal Weg ($W=F\cdot s$).

    Damit hat die Arbeit die Einheit der Energie (Joule), sie beschreibt also die Energiedifferenz, die durch die Bewegung entsteht.

    Aber sie wirkt nicht nur nach oben, um einem Körper Lageenergie zu geben, sondern auch als kinetische Energie in jede Richtung.

  • Gib die richtigen Pendeldiagramme an.

    Tipps

    Das Pendel startet am höchsten Punkt und fällt herunter. Schaue dir an, wie sich die potenzielle Energie verhält, dann noch einmal mit der kinetischen Energie. Wichtig ist zu sehen, ob sie erst steigt oder fällt.

    Lösung

    Hier wollen wir die Energiediagramme für eine bestimmte Pendelschwingung ansehen.

    Allgemein können alle Bilder so vorkommen. Bild 1 und 2 würden zu einer Schwingung gehören, die unten anfängt, zu einer Seite hochgeht und dann wieder unten endet.
    Aber unsere Schwingung fängt oben an, daher sind Bild 1 und 2 falsch.

    Richtig sind Bild 3 und 4. Am Anfang, wenn das Pendel oben ist, ist auch die potenzielle Energie hoch, dann fällt diese Energie und ist unten bei 0, dann steigt sie wieder. In Bild 4 sieht man das noch einmal und gleichzeitig aber noch, wie sich die kinetische Energie parallel dazu verhält.

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