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Textaufgaben: Energieformen

Energieformen im Alltag und Größenordnungen — mit gestuften Hinweisen und Erwartungshorizont.

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Zwei Sachaufgaben mit Erwartungshorizont

1

Ein Tag voller Energieformen

AFB I

Auf dem Schulhof lässt sich ein ganzer Vormittag als Folge von Energieumwandlungen lesen: Ein Ball wird hochgeworfen, eine Sprungfeder am Trampolin wird gespannt, die Sonne wärmt die Sitzbänke, und im Automaten leuchtet ein Display (M1).

M1Vier Beobachtungen
Nr.Beobachtung
1Ein Ball fliegt nach oben und wird dabei immer langsamer.
2Das Sprungtuch des Trampolins wird durch das Gewicht eines Schülers nach unten gedehnt.
3Die Holzbank in der Sonne fühlt sich mittags deutlich wärmer an als morgens.
4Der Getränkeautomat ist an das Stromnetz angeschlossen und beleuchtet sein Display.
  1. Nennen Sie zu jeder Beobachtung die Energieform(en), die dabei eine Rolle spielen.
  2. Beschreiben Sie für die Beobachtungen 1 und 3 jeweils, welche Form in welche übergeht.
  3. Angeben Sie, welche der genannten Formen zur mechanischen Energie gehören, und Nennen Sie die gemeinsame Einheit aller Energieformen.
Hinweis zu Aufgabe a)
Nutzen Sie die acht Namen aus der Mindmap.„Nennen“ heißt: knapp aufzählen, ohne Erläuterung.
Hinweis zu Aufgabe b)
Fragen Sie sich jeweils: Was war vorher da, was ist nachher da?„Beschreiben“: strukturiert und mit Fachbegriffen, am besten als Pfeilkette.
Hinweis zu Aufgabe c)
Drei der acht Formen bilden zusammen die mechanische Energie.Zur Einheit gehört auch das Kurzzeichen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

1: Bewegungsenergie und Lageenergie.
2: Spannenergie (und die Lageenergie des Schülers).
3: Strahlungsenergie und thermische Energie.
4: elektrische Energie und Strahlungsenergie (Licht des Displays).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Beobachtung 1: Der Ball besitzt beim Abwurf viel Bewegungsenergie und keine Höhe. Beim Aufsteigen wird die Bewegungsenergie zunehmend in Lageenergie umgewandelt; deshalb wird er langsamer. Am höchsten Punkt liegt die Energie vollständig als Lageenergie vor. Kette: Bewegungsenergie → Lageenergie.

Beobachtung 3: Die Sonne gibt Strahlungsenergie ab. Diese wird vom Holz aufgenommen und in thermische Energie umgewandelt, wodurch die Temperatur der Bank steigt. Kette: Strahlungsenergie → thermische Energie.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Zur mechanischen Energie gehören Bewegungsenergie, Lageenergie und Spannenergie — also die in den Beobachtungen 1 und 2 genannten Formen.

Alle Energieformen werden in derselben Einheit gemessen: im Joule, Kurzzeichen J. Es gilt 1 J = 1 kg · m² / s² = 1 Nm.

2

Wie viel ist ein Joule?

AFB II

Ein Joule ist eine erstaunlich kleine Energiemenge. Deshalb rechnet man im Alltag häufig mit Kilojoule (kJ), Megajoule (MJ) oder Kilowattstunden (kWh). Es gilt 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = 1 000 000 J und 1 kWh = 3,6 · 106 J.

M1Vier Energiemengen
VorgangEnergie
Eine Tafel Schokolade (100 g) enthält chemisch2300 kJ
Ein Wasserkocher braucht für eine Kanne Tee0,12 kWh
Ein Auto (1000 kg) besitzt bei 50 km/h96 450 J
Ein Apfel (150 g) fällt 1 m tief; dabei werden frei1,5 J
  1. Angeben Sie alle vier Energiemengen einheitlich in Joule.
  2. Vergleichen Sie die Energie der Schokoladentafel mit der Bewegungsenergie des Autos.
  3. Beurteilen Sie die Aussage: „Weil eine Tafel Schokolade so viel Energie enthält, könnte ein Auto damit sehr weit fahren.“
Hinweis zu Aufgabe a)
kJ mal 1000, kWh mal 3,6 Millionen.Schreiben Sie große Zahlen als Zehnerpotenz, das erspart Nullen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Bilden Sie den Quotienten der beiden Werte.„Vergleichen“ verlangt eine gewichtende Aussage, nicht nur zwei Zahlen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Denken Sie an den Unterschied zwischen der enthaltenen Energie und der Energie, die tatsächlich als Bewegung nutzbar wird.„Beurteilen“: eigenes Urteil mit Begründung, hier auch mit einem Blick auf die Umwandlung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Schokolade: 2300 kJ = 2,3 · 106 J
Wasserkocher: 0,12 kWh · 3,6 · 106 J/kWh = 4,32 · 105 J
Auto: 96 450 J = 9,645 · 104 J
Apfel: 1,5 J

Die vier Werte umfassen mehr als sechs Zehnerpotenzen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

2,3 · 106 J : 9,645 · 104 J ≈ 24.

Die chemische Energie einer einzigen Tafel Schokolade entspricht also rund dem 24-Fachen der Bewegungsenergie eines Autos bei 50 km/h. Anders gesagt: Man könnte damit rechnerisch 24-mal ein Auto von 0 auf 50 km/h beschleunigen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage ist so nicht haltbar.

Richtig ist: Der Energieinhalt ist tatsächlich beträchtlich, wie der Vergleich in b) zeigt. Umgerechnet entspricht 1 kg Schokolade grob der Energie von etwa einem halben Liter Benzin.

Nicht berücksichtigt sind zwei Punkte. Erstens lässt sich chemische Energie nie vollständig in Bewegungsenergie umwandeln: Ein Verbrennungsmotor gibt nur etwa ein Viertel bis ein Drittel der eingesetzten Energie als Bewegungsenergie ab, der Rest wird thermische Energie. Zweitens ist die Bewegungsenergie bei konstanter Fahrt gar nicht die entscheidende Größe — sie muss nur einmal aufgebracht werden. Fortlaufend Energie kostet dagegen der Luftwiderstand, und der wächst ebenfalls stark mit der Geschwindigkeit.

Urteil: „Sehr weit“ ist deutlich zu optimistisch. Die Aussage verwechselt den Energieinhalt mit der tatsächlich nutzbaren Energie und übersieht, dass beim Fahren ständig Energie an die Umgebung abgegeben wird.