Lerneinheit · Klasse 7–10 · Physik, Mathematik
Wohin verschwindet die Energie?
„Ein Ball springt nie wieder so hoch — wo ist die Energie hin? Und warum macht eine Glühlampe aus 100 Einheiten Kohle nicht einmal zwei Einheiten Licht?"
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- Thema im Lehrplan
- Energieerhaltung und Energieentwertung mit quantitativer Bilanzierung: Lage-, Bewegungs- und innere Energie, Energieumwandlungsketten, Wirkungsgrad einzelner Glieder und der ganzen Kette.
- Fach
- Physik, Mathematik
- Klassenstufe
- Klasse 7–10
- Dauer
- ca. 60 min (2 Schulstunden) · 8 Missionen und 6 Übertragsaufgaben
Ablauf
- Der springende Ball — Miss, wie hoch der Ball nach jedem Aufprall noch kommt — und sieh an drei Balken, wohin die fehlende Energie geht. 4 Missionen: Der erste Sprung · Nach drei Sprüngen · Wo bleibt die Energie? · Wie oft springt er noch?
- Die Kette — Vom Kraftwerk bis zur Lampe: Rechne nach, wie viel von 100 Einheiten Kohle am Ende wirklich leuchtet. 4 Missionen: Zwei Glieder · Die ganze Kette · Eine LED am Ende · Wo bleibt am meisten hängen?
- Übertrag — 6 Aufgaben zu einer neuen Situation, ohne Simulation. Die eigenen Messreihen stehen daneben.
Der Denkfehler, an dem die Einheit ansetzt
„Energie wird verbraucht" — der Ball springt niedriger, also ist etwas weg. Dazu: „Bei jedem Sprung geht gleich viel verloren" (linear statt fester Anteil) und bei der Kette „Wirkungsgrade zieht man voneinander ab". Beim Verlust vermuten viele die Leitung, nicht das Kraftwerk.
Das sollen die Lernenden am Ende sagen können
Energie verschwindet nicht, sie wird entwertet. Beim Ball wandert sie von der Lage in die Bewegung und bei jedem Aufprall ein Stück in Wärme und Schall: Lage, Bewegung und Wärme ergeben zusammen immer 100 %. Weil jedes Mal derselbe Anteil der Höhe bleibt (hier 80 %), fällt die Sprunghöhe nicht um feste 20 cm, sondern um 20 % des Restes — 100, 80, 64, 51 cm. In einer Kette von Umwandlungen werden die Wirkungsgrade malgenommen, nicht abgezogen: 40 % im Kraftwerk, 95 % im Netz und 5 % in der Glühlampe ergeben 1,9 % Licht. Mit einer LED sind es 11,4 %, also das Sechsfache aus derselben Kohle. Wo am meisten verloren geht, entscheidet beides: der Wirkungsgrad eines Glieds und das, was überhaupt bei ihm ankommt.
Tipp für den Unterricht
Der Ball ist ein Modell mit festem Stoßfaktor (80 % der Höhe je Aufprall); ein echter Flummi liegt bei 70 bis 90 %, ein Basketball bei etwa 55 %. Das lässt sich mit Ball und Zollstock in fünf Minuten nachmessen — am besten vor dem Labor. Die Wirkungsgrade der Kette sind typische Schulbuchwerte: Kohlekraftwerk 40 % (moderne Anlagen bis 45 %), Stromnetz 95 % (Netzverluste in Deutschland rund 5 %), Glühlampe 5 %, LED 30 % (handelsübliche LED-Lampen 20 bis 35 %). Anschluss rückwärts: „Wann ist die Hälfte weg?" — dort ein fester Anteil je Runde, hier je Sprung.
So arbeiten die Lernenden
Vor jedem Versuch legen sie sich fest, was herauskommt — der Versuchsaufbau bleibt gesperrt, bis sie das getan haben. Dann zeigt der Versuch, ob die Vorhersage stimmte, und jedes Ergebnis landet in einer Messreihe. Die Regel wird nicht vorgesagt, sie ergibt sich aus den eigenen Messwerten. Sterne bewerten die Vorhersage, nicht den Fleiß.
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Beim Drucken kommt auf der zweiten Seite der Übertrag als Arbeitsblatt — für Klassen, die an der Tafel arbeiten. Die Lösungen stehen in der Handreichung.
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Übertrag: Wohin verschwindet die Energie?
Name: ______________________________ Klasse: __________ Datum: __________
Jetzt ohne Ball und ohne Kette — nur mit dem, was deine beiden Messreihen zeigen. Schreibe deine Antwort auf und begründe sie mit dem, was du gemessen hast.
- Ein Ball behält bei jedem Aufprall 60 % der Höhe. Du lässt ihn aus 200 cm fallen. Wie hoch springt er nach dem zweiten Aufprall? (in Zentimetern)
- Ein Elektromotor hat den Wirkungsgrad 90 %, das Getriebe dahinter 80 %. Wie viel Prozent der elektrischen Energie kommen am Rad an?
-
Nach einer Stunde Fahrt ist der Akku eines E-Autos leer. Was ist mit der Energie passiert?
- a) Sie ist verbraucht, also nicht mehr vorhanden
- b) Sie ist noch da — als Wärme in Luft, Reifen und Bremsen
- c) Sie steckt jetzt im Auto, weil es sich bewegt hat
- Eine Kette hat drei Glieder: Kraftwerk 40 %, Netz 95 %, Elektromotor 50 %. Wie viel Prozent der Kohleenergie kommen als Bewegung an? (auf ganze Prozent gerundet)
- Ein Ball verliert bei jedem Aufprall 20 % seiner Höhe. Nach wie vielen Sprüngen ist er zum ersten Mal unter der halben Starthöhe?
-
In der Kette mit Glühlampe gingen im Kraftwerk 60 Einheiten verloren, in der Leitung 2 und in der Lampe 36. Warum ist der Verlust der Leitung so klein, obwohl Strom weit transportiert wird?
- a) Weil Leitungen fast nichts verlieren und bei ihr nur wenig ankommt
- b) Weil der Strom in der Leitung schneller ist
- c) Weil die Leitung die Verluste an das Kraftwerk zurückgibt