Ein Abend im Fitnessstudio
AFB I–IILina trainiert im Fitnessstudio. In M1 sind vier Stationen ihres Abends abgebildet: (1) Das Laufband läuft, sein Motor ist über ein Kabel mit der Steckdose verbunden. (2) Lina hält eine Langhantel mit 20 kg ruhig über dem Kopf. (3) Sie hat ein Gymnastikband weit auseinandergezogen und hält es in dieser Stellung fest. (4) Vor dem Training isst sie eine Banane.
Am Ende der Übung (2) lässt Lina die Hantel kontrolliert auf eine dicke Gummimatte fallen. Die Matte wird kurz eingedrückt, die Hantel springt ein wenig zurück und bleibt dann liegen.
- Nennen Sie für jede der vier Stationen (1) bis (4) die Energieform, die dort gespeichert ist oder gerade transportiert wird.
- Ordnen Sie die vier Energieformen aus a) den beiden Gruppen „im Körper gespeichert“ und „Transportform“ begründet zu.
- Beschreiben Sie, welche Energieumwandlungen vom Loslassen der Hantel bis zum Liegenbleiben auf der Matte ablaufen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
(1) Laufband: elektrische Energie (fließt durch das Kabel zum Motor, der daraus Bewegungsenergie des Bandes macht).
(2) Hantel über dem Kopf: Lageenergie – sie ist angehoben, bewegt sich aber nicht.
(3) Gespanntes Band: Spannenergie – es ist elastisch verformt.
(4) Banane: chemische Energie – sie steckt in den Stoffen der Nahrung und wird im Körper umgesetzt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Transportform: elektrische Energie (1) – sie ist nur unterwegs von der Steckdose zum Motor und wird nicht im Kabel gelagert.
Im Körper gespeichert: Lageenergie (2), Spannenergie (3) und chemische Energie (4) – sie sitzen in der Hantel, im Band bzw. in der Banane fest, bis sie umgewandelt werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Beim Loslassen hat die Hantel Lageenergie. Im Fall wird diese in Bewegungsenergie umgewandelt. Beim Aufprall wird die Matte eingedrückt: Bewegungsenergie wird zu Spannenergie der Matte. Die Matte federt zurück, ein Teil wird wieder zu Bewegungs- und Lageenergie (die Hantel springt etwas hoch).
Nach dem Liegenbleiben ist die gesamte Energie als innere Energie in Matte, Hantel und Luft verteilt (winzige Erwärmung, auch der Knall). Vollständig ist die Antwort, wenn die Kette Lage → Bewegung → Spann → innere Energie genannt wird.
Grillabend mit Lichterkette
AFB II–IIIFamilie Özdemir grillt im Garten. Im Grill glüht Holzkohle, über der Glut brutzeln Würstchen. Am Zaun hängt eine Solar-Lichterkette: Tagsüber scheint die Sonne auf ein kleines Solarmodul, das einen Akku im Gehäuse auflädt. Sobald es dunkel wird, schaltet die Elektronik die Lämpchen ein, und sie leuchten etwa sechs Stunden lang.
Beim Essen entsteht eine Diskussion. Tim sagt: „In der Holzkohle steckt Wärmeenergie, die beim Grillen herauskommt.“ Lea meint: „Die Lichterkette ist super – die erzeugt ihre Energie selbst, sie braucht ja keine Steckdose.“
- Erklären Sie, welche Energieformen bei der Solar-Lichterkette vom Sonnenlicht am Tag bis zum Leuchten am Abend nacheinander auftreten.
- Vergleichen Sie den Holzkohlegrill mit der Solar-Lichterkette hinsichtlich des Energiespeichers und der abgegebenen Energieformen.
- Beurteilen Sie die Aussagen von Tim und Lea aus physikalischer Sicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Am Tag trifft Strahlungsenergie (Sonnenlicht) auf das Solarmodul. Es wandelt sie in elektrische Energie um, die zum Akku fließt. Im Akku wird sie als chemische Energie gespeichert.
Am Abend wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt, die Lämpchen geben Strahlungsenergie (Licht) und etwas innere Energie (Erwärmung) ab.
Kette: Strahlung → elektrisch → chemisch (Speicher) → elektrisch → Strahlung + innere Energie.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gemeinsamkeit: Beide speichern die Energie als chemische Energie (Holzkohle bzw. Akku) und geben am Ende Strahlungsenergie und innere Energie ab.
Unterschiede: Der Grill gibt vor allem innere Energie (Wärme) ab, die Lichterkette vor allem Licht. Die Holzkohle verbrennt und ist danach aufgebraucht, der Akku wird jeden Tag neu geladen. Bei der Lichterkette tritt zusätzlich elektrische Energie als Transportform auf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Tim liegt falsch: In der kalten Holzkohle steckt keine „Wärmeenergie“, sondern chemische Energie. Erst beim Verbrennen wird sie in innere Energie und Strahlungsenergie umgewandelt. „Wärmeenergie“ ist nur Alltagssprache.
Lea liegt ebenfalls falsch: Energie kann nicht erzeugt werden. Die Lichterkette wandelt Strahlungsenergie der Sonne um und speichert sie; ohne Sonnenlicht bleibt sie dunkel. Richtig an ihrer Aussage ist nur, dass keine Steckdose nötig ist.
Vollständig ist die Antwort, wenn beide Aussagen mit Fachbegriff bewertet und korrigiert werden.