für die 8. Schulstufe

(1)

für die 8. Schulstufe

Theoretischer T eil

Prakt ische Übun gen

Strom und Span nung

Gamma-Strahlu ng Optische Brec hung

Gebogene Spiegel

Elemente und Periodensystem Kernspal tung

Und vieles mehr …

Erdmagnetfeld

Alpha-Strahlun g

Kräfte b ei Beweg ungen

Denkaufgaben Lückentexte

Wissensübe rprüfungen

Worträtsel

Arbeitsblätter Quiz Merktexte

Magnetische Influenz

Satellit enbahne n

Experiment e

Musterseite

(2)

Physik – 8. Schulstufe

Vorwort

In meiner langjährigen Tätigkeit als Lehrer wurde ich unter anderem mit der Aufgabe betraut, meinen Schülern und Schülerinnen den Gegenstand „Physik“

näherzubringen.

Dabei musste ich feststellen, dass es für dieses Unterrichtsfach sehr wenige Arbeitsmaterialien gibt.

Da mir in der heutigen Zeit für junge Menschen gewisse Grundkenntnisse im Bereich der „Physik“ sehr wichtig erscheinen, möchte ich den vorliegenden Band

„Physik für die 8. Schulstufe – einfach und verständlich“ allen Schultypen zur Verfügung stellen.

Der Arbeitsband gliedert sich in vier Hauptmodule (Modul 1 – „Elektrizität“, Modul 2 – „Optik“, Modul 3 – „Kernphysik“ und Modul 4 – „Gekrümmte Wege“).

Mit diesen vier Grundmodulen habe ich versucht, den Lehrplan der 8. Schulstufe abzudecken.

Um den Unterricht interessanter und abwechslungsreicher gestalten zu können, erstellte ich diese Arbeitsmappe, die die SchülerInnen dazu motivieren soll, mithilfe von Versuchen, Arbeitsaufträgen, Arbeitsblättern, Rätseln, Quiz und Folien diese umfangreichen Themengebiete selbstständig zu erarbeiten.

Mein besonderer Dank gilt dem Verleger Erwin Schwarzinger, der es mir ermöglichte, über das „Schulbedarfszentrum“ den Arbeitsband zu veröffentlichen.

Ich hoffe, damit einen wesentlichen Beitrag zu einer informativen und lebendigen Unterrichtsgestaltung für den Gegenstand „Physik“ geleistet zu haben.

Impressum:

Titel: Physik – einfach und verständlich… für die 8. Schulstufe (Band 3)

Autor und Lektorat: Roman Wielander, Haager Straße 279, A-3040 Neulengbach, Tel. +43 (0)650/8412945; e-mail: [email protected], Produktion: Schulbedarfszentrum, A-3910 Zwettl, Syrafeld 20/1, www.lernen.at; Grafiken: Roman Wielander; Satz und Layout: Roman Wielander; Verlag:

Schulbedarfszentrum, E. Schwarzinger, A-3910 Zwettl, Syrafeld 20/1, Tel.: +43(0)2822/53535-0, Fax DW: 4, e-mail: [email protected], www.lernen.at; Urheber- und Leistungsschutzrechte: Roman Wielander

© April 2018 bei Schulbedarfszentrum, E. Schwarzinger; 1. Auflage 2018. Die Verwertung der Texte und Bilder, auch auszugsweise, ist ohne Zustimmung des Verlages urheberrechtswidrig und strafbar. Dies gilt auch für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und für die Verarbeitung mit elektronischen Systemen. Die Vervielfältigung der Arbeitsblätter ist nur für den Schulgebrauch an

e i n e r Schule gestattet. Jede weitere Verwendung sowie Vervielfältigung, insbesondere durch Printmedien und audiovisuelle Medien, sind aufgrund des Urheberrechtes verboten und bedürfen der

Musterseite

(3)

Inhaltsverzeichnis

Physik für die 8. Schulstufe

Thema Seite

Physik für die 8. Schulstufe 1

Vorwort 2

Inhaltsverzeichnis 3-5

Legende 6

Bildungs- und Lehraufgaben 7-9

Didaktische Grundsätze 10

Lehrplan 11-12

Modul 1 – Elektrizität 13

Strom und Spannung 14-15

Der Versuch von Oersted 16

Spule und Relais 17-18

Arten von Magnetismus 19-21

Magnetische Influenz 22

Das Erdmagnetfeld 23

Magnetische Induktion 24

Messgeräte und Motoren 25

Generatoren und Kraftwerke 26

Versuche 27-32

Arbeitsaufträge 33-42

Arbeitsblätter 43-50

Schriftliche Überprüfung 51-54

Rätsel 55-62

Modul 2 – Optik 63

Licht und Reflexionen 64

Musterseite

(4)

Thema Seite

Modul 2 – Optik

Schatten und Spiegel 65-67

Gebogene Spiegel 68-69

Optische Brechung 70-71

Sammel- und Zerstreuungslinsen 72-73

Das Auge und seine Fehler 74-75

Camera Obscura und Fotos 76-77

Fernrohr und Mikroskop 78-79

Die Farben des Regenbogens 80-81

Was ist Licht? 82-83

Versuche 84-92

Arbeitsaufträge 93-106 Arbeitsblätter 107-116

Rätsel 121-128

Modul 3 – Kernphysik 129

Was die Welt zusammenhält .... 130-131

Alpha-Strahlung 132-133 Beta-Strahlung 134-135 Gamma-Strahlung 136-137

Gefahren radioaktiver Strahlung 138-139

Kernspaltung und Kernfusion 140-142

Kernreaktoren - Gefahren 143-145

Rätsel 168-175

Musterseite

(5)

Thema Seite

Modul 4 – Gekrümmte Wege 176

Kräfte bei Bewegungen 177-178

Kräfte bei der Kreisbewegung 179-180

Bewegungen im Vergnügungspark 181-182

Satellitenbahnen 183

Planetenbahnen 184-185 Relativitätstheorie 186-187

Versuche 188-193

Rätsel 208-215

Musterseite

(6)

Legende

Arbeitsauftrag Arbeitsblatt

Merkstoff Rätsel

Schriftliche Überprüfung Versuche,

Experimente

Musterseite

(7)

Physik – Lehrplan – Seite 1

LEHRPLAN DES PFLICHTGEGENSTANDES Physik

Bildungs- und Lehraufgabe

Ausgehend von fachspezifischen Aspekten wird die enge Verflechtung der Physik mit anderen Naturwissenschaften bearbeitet. Der Unterrichtsgegenstand trägt zu allen Bildungsbereichen bei und soll sich keinesfalls nur auf die Darstellung physikalischer Inhalte beschränken.

Der Unterricht hat das Ziel, den Schülerinnen und Schülern das Modelldenken der Physik (Realwelt – Modell – Modelleigenschaften – Realwelt) zu vermitteln und physikalisches Wissen in größere Zusammenhänge zu stellen.

Dies geschieht durch

bewusstes Beobachten physikalischer Vorgänge;

Verstehen und altersgemäßes Anwenden von typischen Denk- und Arbeitsweisen der Physik;

Erkennen von Gültigkeitsgrenzen physikalischer Gesetzmäßigkeiten in alltagsbezogenen Situationen;

eigenständige und handelsorientierte Auseinandersetzung mit Problemen aus dem Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler nach Möglichkeit ausgehend von Schülerexperimenten;

Entwickeln von Erklärungsversuchen beziehungsweise Modellvorstellungen und deren Anwendungen bei physikalischen Vorgängen in Natur und Technik.

Außerdem hat der Physikunterricht den Schülerinnen und Schülern in Verbindung mit anderen Unterrichtsgegenständen die Vielschichtigkeit des Umweltbegriffes bewusst zu machen. Dadurch soll eine bessere Orientierung in der Umwelt und entsprechend verantwortungsbewusstes Handeln erreicht werden.

Dies geschieht durch

¾ Erkennen der kulturellen und wirtschaftlichen Bedeutung der Physik;

¾ Bewusstmachen der Gefahren, die durch die Anwendung naturwissenschaftlich- technischer Erkenntnisse verursacht werden und Auseinandersetzung mit problem- adäquaten Maßnahmen zur Minimierung (Unfallverhütung, Verkehrserziehung, Strahlenschutz, Zivilschutz, Friedenserziehung,……);

Musterseite

(8)

¾ Einsicht gewinnen in die Bedeutung technischer Entwicklungen für Gesellschaft und Umwelt;

¾ Einblicke bekommen in die Berufs- und Arbeitswelt.

Auf Beiträge österreichischer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Forscherinnen und Forscher, Technikerinnen und Techniker sowie Erfinderinnen und Erfinder ist besonders einzugehen.

Beitrag zu den Aufgabenbereichen der Schule

Darlegung eines Zusammenhanges zwischen Modellbildung und Weltanschauung

Anwendung physikalischer Aussagen bei der Interpretation philosophischer und religiöser Erklärungsversuche über den Ursprung und die Entwicklung des Universums

Beiträge zu den Bildungsbereichen Natur und Technik

Die Ziele und Aufgaben des Physikunterrichtes unterstützen alle wesentlichen Anliegen des Bildungsbereiches.

Mensch und Gesellschaft

• Einfluss von Physik und Technik auf gesellschaftliche, ökonomische und ökologische Entwicklungen

• Auseinandersetzung mit unwissenschaftlichen bzw. technikfeindlichen Meinungen

• Einfluss moderner Technologien

• Aufzeigen möglicher Gefahren bei der Umsetzung von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen in technische Anwendungen

• Entwickeln persönlicher Wertvorstellungen und der Einsicht zur Mitverantwortung im Umgang mit der Umwelt

Sprache und Kommunikation

• Anwendung einer altersadäquaten Fachsprache

• präziser Sprachgebrauch bei Beobachtung

• Beschreibung und Protokollierung physikalischer Vorgänge und Planung von Schülerexperimenten

Musterseite

(9)

Gesundheit und Bewegung

• biomechanische Grundlagen von Bewegungsvorgängen

• Bedeutung der Physik im Verkehrswesen

• Funktion und wesentliche physikalische Vorgänge beim Gebrauch von Sportgeräten

• physikalische Vorgänge in Medizin und Medizintechnik

Kreativität und Gestaltung

• Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten

• Einfluss der Physik auf Ästhetik, Funktion und Design

Musterseite

(10)

Physik – Didaktische Grundsätze

Didaktische Grundsätze

Der Lehrplan ist aus einzelnen Modulen aufgebaut, deren Abfolge bzw. Gewichtigkeit durch diverse Schwerpunktsetzungen variiert und beliebig kombiniert werden kann.

9 Der Physikunterricht soll zu übergeordneten Begriffen und allgemeinen Einsichten führen, die anhand weiterer Beispiele auf konkrete Sachverhalte angewendet werden.

9 Ausgehend von konkreten Beobachtungen bzw. Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler sind unter Berücksichtigung lokaler Gegebenheiten jeweils die zugrunde liegenden physikalischen Inhalte zu erarbeiten.

9 Modellvorstellungen (z.B. das Teilchenmodell) und grundlegende Begriffe (z.B. Trägheit, Kraft oder Energie) sind an allen geeigneten Stellen zur Klärung von Vorgängen in der Natur und Technik heranzuziehen, um altersadäquat aufbereitet immer tiefergreifende Verständnisebenen zu erreichen.

9 Bei der Gewinnung von Gesetzen ist neben der Verallgemeinerung von Beobachtungen aufgrund von Experimenten gelegentlich auch die gedankliche Herleitung und anschließende experimentelle Überprüfung von Lösungssätzen (Hypothesen) anzuwenden.

9 Bei der Formulierung von Gesetzen ist auf qualitative Je-desto-Fassungen besonders Wert zu legen. Nur an geeigneten Beispielen ist die Leistungsfähigkeit mathematischer Methoden für die Physik zu zeigen.

9 An geeigneten Inhalten ist den Schülerinnen und Schülern Gelegenheit zu möglichst selbstständigem Untersuchen, Entdecken bzw. Forschen zu geben. Dies bedingt den Einsatz von Schülerversuchen.

9 Altersgemäße Denkwege und Deutungsversuche der Schülerinnen und Schüler sind zu berücksichtigen.

Musterseite

(11)

Physik – Lehrstoff – Seite 1

Lehrstoff

(8. Schulstufe)

Elektrizität bestimmt unser Leben:

Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefer gehendes Verständnis von technischer Erzeugung und Konsum von Elektroenergie gewinnen.

1. Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer Energie gewinnen (Permanentmagnet und Elektromagnet; elektromagnetische Induktion).

2. Grundlegendes Wissen über Herstellung, Transport und "Verbrauch" elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator).

3. Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes Handeln erreichen.

4. Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geräte aus dem Interessensbereich der Schülerinnen und Schüler gewinnen (Elektromotor).

Die Welt des Sichtbaren:

Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes Verständnis über Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben und anwenden können.

1. Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen.

2. Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (Ebene und gekrümmter Spiegel, Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop).

3. Grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.

Das radioaktive Verhalten der Materie:

Ausgehend von Alltagsvorstellungen der Schülerinnen und Schüler soll ein grundlegendes Verständnis wichtiger Vorgänge in Atomkernen erzielt werden.

1. Einsichten in Veränderungen im Atomkern als Ursache der Radioaktivität gewinnen (Alpha-, Beta- und Gammastrahlen).

Musterseite

(12)

Physik – Lehrstoff – Seite 2

2. Radioaktiven Zerfall als ständig auftretenden Vorgang erkennen.

3. Grundlegende Vorgänge bei der Energieumsetzung in der Sonne, in Sternen und bei Kernreaktionen verstehen können (Kernfusion und Kernspaltung).

Gekrümmte Wege auf der Erde und im Weltall:

Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefer gehendes Verständnis der Auswirkungen von Kräften auf das Bewegungsverhalten von Körpern gewinnen.

1. Eine Bewegung längs einer gekrümmten Bahn als Folge der Einwirkung einer Querkraft verstehen (Zentripetalkraft).

2. Die Gewichtskraft als Gravitationskraft deuten können.

3. Bewegungen von Planeten und Satelliten grundlegend erklären können.

Musterseite

(13)

Strom und Spannung Der Versuch von Oersted Spule und Relais

Arten von Magnetismus Magnetische Influenz Das Erdmagnetfeld Magnetische Induktion Messgeräte und Motoren Generatoren und Kraftwerke

Themengebiete

Musterseite

(14)

Elektrizität – Merkstoff – Seite 1

Strom und Spannung 1

Was ist die Ursache dafür, dass es Strom gibt?

Das Atom gilt als kleinster Baustein der Materie. Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Ein Atom besteht aus einem Atomkern (in der Abbildung grau). Er besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Der Atomkern ist von Elektronen umgeben. Die Elektronen wandern auf Elektronenbahnen, die verschiedene Schalen bilden. Bei neutralen Atomen entspricht die Anzahl der Elektronen genau der Anzahl der Protonen. Bei Metallen und Gegenständen, die den Strom leiten, kann man bewirken, dass äußere Elektronen („freie Elektronen“) zu benachbarten Atomen wandern und sich dort ansammeln. Das führt dazu, dass der Gegenstand „geladen“

ist.

Als elektrischen Strom bezeichnet man die Bewegung von Ladungs- trägern durch einen Stoff oder durch einen luftleeren Raum (Vakuum).

Ladungsträger sind zum Beispiel Elektronen oder Ionen. Bewegen sich also Elektronen zum Beispiel durch einen Kupferdraht, spricht man von Stromfluss.

Aufgabe: Trage die fehlenden Begriffe an der richtigen Stelle ein!

Musterseite

(15)

Strom und Spannung 2

Bewegen sich viele Elektronen gleichzeitig in eine Richtung, sprechen wir von elektrischem Strom.

Unter der elektrischen Stromstärke versteht man die Menge der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters laufen.

Die Einheit ist das Ampere (A).

Auch für den Strom gibt es Voraussetzungen. So benötigt der Strom zum Fließen Spannung. Unter der elektrischen Spannung versteht man die treibende Kraft, die die Ladungsbewegung verursacht. Grundsätzlich gilt: Je höher die Spannung, desto mehr Strom kann fließen.

Die Arbeit, die nötig ist, um Elektronen zwischen dem Bereich des Elektronenmangels und dem Bereich des Elektronenüberschusses zu

verschieben, ist proportional zur elektrischen Spannung.

Die Einheit der Spannung ist das Volt (V).

Der Physiker Georg Simon Ohm stellte fest, dass es zwischen dem Strom und der Spannung einen Zusammenhang gibt. Dieser hängt vom Material ab und wird als elektrischer Widerstand bezeichnet.

Zusammenhang Strom, Spannung und Widerstand

Formel: U = R · I

• "U" ist die Spannung in Volt, z.B. 1 V

• "R" ist der Widerstand in Ohm, z.B. 1 Ω

• "I" ist der Strom in Ampere, z.B. 1 A

Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm (Ω).

Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und elektrischem Widerstand wird als Ohm´sches Gesetz bezeichnet.

Musterseite

(16)

Der Versuch von Oersted

Bis zur Entdeckung von Hans Christian Oersted waren der Magnetismus und die Elektrizität zwei scheinbar voneinander völlig unabhängige Wissensgebiete.

Im Jahre 1819 beobachtete Oersted die Ablenkung einer Kompassnadel als Strom durch einen Draht floss, der parallel zur Kompassnadel verlief (Er kannte den Begriff "Strom" noch nicht, er sprach von einem "elektrischen Conflict").

Die Entdeckung einer grundsätzlichen Verknüpfung zwischen Elektrizität und Magnetismus schlug bei der damaligen wissenschaftlichen Welt wie eine Bombe ein und führte zu hektischen Untersuchungen durch andere Forscher wie z.B. Ampere. Nach all dem wurde klar, dass der durch Strom erzeugte Magnetismus eine Kraft bewirkt. Kräfte können Bewegung erzeugen. Man vermutete deshalb auch, dass umgekehrt eine Bewegung zur Stromerzeugung führen könnte.

Bewegte Elektronen verursachen ein Magnetfeld.

Im Magnetfeld wird die Bewegung der Elektronen abgelenkt.

Versuch nach Oersted

(Abb. 1)

Ein dicker Kupferdraht wird in die N-S-Richtung aufgestellt. Im Stromkreis bestehend aus Akkumulator, Kupferdraht und Glühlampe stellt die Glühlampe den Stromindikator dar. Unterhalb des Kupferdrahtes wird eine Kompassnadel aufgestellt, die sich, solange kein Strom fließt, ebenfalls in N-S-

Richtung einstellt, also parallel zum Kupferdraht. Wird der Kreis geschlossen, so dreht sich die Kompassnadel aus der N-S-Richtung, dabei ist die Drehrichtung von der Stromrichtung abhängig.

Fazit

Ein stromdurchflossener Leiter zeigt in seiner Umgebung eine magnetische

Abb. 1

Musterseite

(17)

Spule und Relais 1

In einer Spule ist der Leitungsdraht in sehr vielen Windungen übereinander gewickelt. Jede einzelne Wicklungsschleife wirkt wie ein kreisförmiger Leiter.

Die einzelnen Magnetfelder, die jede der Wicklungsschleifen umgeben, überlagern sich zu einem intensiven Gesamtfeld. Häufig befindet sich in der Spule ein Eisenkern, durch den das Magnetfeld zusätzlich verstärkt wird. Im Magnetfeld einer Spule wird Feldenergie gespeichert.

Die Stärke des in einer Spule entstehenden Magnetfeldes hängt von der Induktivität der Spule und der durch sie fließenden Stromstärke ab.

Technische Anwendungen von Spulen

Spulen werden hauptsächlich aus zwei Gründen eingesetzt.

• Sie werden verwendet, wenn man mit ihrer Hilfe starke Magnetfelder erzeugen möchte.

In diesem Fall bezeichnet man die Spulen auch als Elektromagnete. Alle größeren Generatoren und Elektromotoren sind zur Magnetfelderzeugung mit Elektromagneten versehen. Auch in der Lichtmaschine des Autos befindet sich ein Elektromagnet. Weitere Anwendungen für Elektromagnete sind verschiedene Relais, die Klingel, Transformatoren oder Lautsprecher.

• Ein weiteres Einsatzgebiet von Spulen beruht auf den von ihnen ausgelösten Vorgängen der Fremd- und Selbstinduktion.

Fremdinduktion nutzt man in Transformatoren. Spulen sind ein wesentlicher Bestandteil von elektrischen Schwingkreisen.

Je mehr Wicklungen die Spule hat beziehungsweise je stärker der Strom ist, desto größer ist das Magnetfeld.

Die magnetischen Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter sind immer kreisförmig und nicht unterbrochen.

Musterseite

(18)

Spule und Relais 2

Eine sehr wichtige Anwendung der Elektromagneten ist das sogenannte Relais (Abb. 2). Relais sind elektro- magnetische Schalter. Sie dienen zum Ein- und Ausschalten eines oder mehrerer Arbeitsstromkreise. Häufig werden Relais

eingesetzt, wenn man einen starken Arbeitsstrom mithilfe eines schwachen Stromes steuern möchte. Ein Relais besteht aus einer Spule mit einem Eisenkern, einem Joch, einem beweglichen Anker mit Trennstift und Kontaktfedern, auf denen sich elektrische Kontakte befinden.

Ein Vorteil des Relais ist, dass man mit ihm große Ströme im Arbeitskreis mit relativ kleinen Strömen des Steuerkreises (auch aus großer Entfernung) schalten kann. Dabei besteht kein leitender Kontakt zwischen Steuer- und Arbeitskreis (Gefahr-Minimierung). Außerdem können mehrere Kontakte gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden.

Es gibt vielfältige Anwendungen des Relais

• Ein- und Ausschalten der Treppenbeleuchtung von verschiedenen Punkten aus.

• Ein- und Ausschalten von verschiedenen Komponenten beim Auto.

So wird der Anlasser, durch den Ströme in der Größenordnung von 100A fließen, mit einem Relais betätigt. Würde der Anlasserstromkreis direkt mit dem Zündschloss geschlossen, so müsste man sehr dicke Kupferleitungen zum Zündschloss legen und wahrscheinlich würde bei den hohen Strömen das Zündschloss zerstört.

• Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen werden durch elektronische Schaltungen gesteuert, bei denen die Spannungen im Bereich zwischen 6 - 12 V liegen. Mit diesen Spannungen könnte man nicht direkt den Elektromotor der Waschmaschine aus- und einschalten.

• Schließen und Öffnen von Kontakten in der Fernsprechtechnik.

• Der erste funktionierende Computer wurde vor dem 2. Weltkrieg von

Abb. 2

Musterseite

(19)

Arten von Magnetismus 1

Bereits seit der Antike kennen und nutzen die Menschen magnetische Erscheinungen. Insbesondere die Verwendung von dünnen, drehbar gelagerten Magnetscheiben in Kompassen war in vielerlei Hinsicht

„richtungsweisend“ für die Entwicklung der Menschheit. Inzwischen sind insbesondere Elektromagnete, Elektromotoren, Generatoren und Transfor- matoren aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken.

Magnetische Felder kommen immer durch die Bewegung von Ladungen zustande. Auch die magnetischen Eigenschaften der Materie, nämlich Ferro-, Para- und Diamagnetismus werden durch die Bewegungszustände der geladenen Elementarteilchen in den Atomen des Materials bestimmt.

Den stärksten Beitrag zum magnetischen Moment der Atome liefert der Elektronenspin (Abb. 3) . Der Elektronen- spin ist im Gegensatz zur Bahnbewegung der Elektronen um den Atomkern herum eine Eigenschaft der Elektronen selbst, die man sich in gewisser Weise wie die Drehung einer geladenen Kugel um die eigene Achse vorstellen kann, auch wenn die Physik zeigen kann, dass diese Vorstellung nicht ganz richtig ist.

Der Elektronenspin ist jedoch nicht der einzige Elementarmagnet. Auch der sogenannte Bahndrehimpuls, also die Bewegung der Elektronen um den Atomkern, trägt zum gesamten magnetischen Moment der Atome bei.

Paramagnete

Paramagnete sind nur so lange magnetisch, solange ein starkes Magnetfeld den Spin der Elektronen in eine Richtung ausrichtet. Eine Menge von Stoffen sind paramagnetisch, dies fällt uns aber im alltäglichen Leben relativ selten

Abb. 3

Musterseite

(20)

Arten von Magnetismus 2

auf, weil die Magnetfelder zu gering sind beziehungsweise die Temperatur zu hoch ist.

Bei paramagnetischen Substanzen ordnen sich die Spins der einzelnen Elektronen während der Magnetisierung von außen in eine

Richtung. Sobald das Magnetfeld ausgeschaltet wird, ist die Substanz nicht mehr magnetisch.

Ferromagnete

Wohl am bekanntesten ist die anziehende Wirkung von Magneten auf Eisen.

Stoffe, die ebenso wie Eisen von Magneten angezogen und dabei selbst magnetisiert werden, bezeichnet man nach dem lateinischen Namen von Eisen („ferrum“) als „ferromagnetisch“ oder umgangssprachlich kurz als

„magnetisch“. Hiezu zählen Eisen, Kobalt, Nickel, Neodym und wenige Legierungen.

Bei ferromagnetischen Substanzen ordnen sich die Spins der Elektronen während der Magnetisierung in eine Richtung. Die

Ordnung bleibt auch ohne äußeres Magnetfeld bestehen.

Diamagnete

Der Diamagnetismus tritt im Alltag nur bei ganz wenigen Substanzen auf.

Wird eine diamagnetische Substanz (Wismut) zu einem Magneten gebracht, wird dieser abgestoßen.

Musterseite

(21)

Magnetismus

Ein ferromagnetischer

Stoff wird von einem Magneten

stark angezogen.

Ein paramagnetisches

Material wird nur sehr schwach

angezogen.

Ein diamagnetischer

Stoff wird sogar schwach

abgestoßen.

Diamagnetismus , Paramagnetismus und

Ferromagnetismus bezeichnen unterschiedliche magnetische Eigenschaften der Materie.

Ob ein Material ferro-, para- oder diamagnetisch ist, lässt sich mit folgendem Diagramm schnell bestimmen.

Haftet das Material an einem Magneten?

magnetisch nicht magnetisch

Kann es magnetisiert und selbst als

Magnet verwendet werden? Wird es von einem Magneten leicht angezogen oder abgestoßen?

angezogen

nein abgestoßen

ja

ferromagnetisch paramagnetisch diamagnetisch

Magnetismus – Zusammenfassung

Musterseite

(22)

Magnetische Influenz

Wenn unmagnetisches Eisen (oder ein anderer ferromagnetischer Stoff) in der Umgebung eines Magneten selbst zum Magneten wird, so spricht man von magnetischer Influenz (Abb. 4).

In nicht magnetisiertem Eisen sind die Elementarmagnete bereichsweise geordnet.

Diese besitzen ihrerseits allerdings unter-

schiedliche Ausrichtungen, so dass ein Stück Eisen von sich aus keine magnetische Wirkung auf andere Körper ausübt.

Eisen kann durch Annähern eines Magneten selbst zum Magneten werden.

In welchem Maß die magnetische Ordnung erhalten bleibt, wenn der äußere Magnet wieder entfernt wird, hängt von der Zusammensetzung des magnetisierten Stoffes ab:

• Bei magnetisch „weichen“ Materialien, beispielsweise Weicheisen, verschwindet der durch Influenz hervorgerufene Magnetismus (weitgehend) wieder.

• In magnetisch „harten“ Materialien, beispielsweise Stahl, bleibt die magnetische Wirkung dauerhaft erhalten.

Die Magnetisierung von Eisen, Nickel oder Kobalt durch ein magnetisches Feld wird als magnetische Influenz bezeichnet.

Das Magnetfeld

Die Kraft, die ein Magnet auf einen anderen magnetischen Körper ausübt, ist abhängig vom Abstand der Magnete, ihrer Form und von ihrer Ausrichtung zueinander.

Die stärkste Kraft zeigt ein Magnet an seinen beiden gegenüber-

Abb. 4

Musterseite

(23)

Elektrizität – Versuche – Seite 2

Versuch 4: Magnetfeldlinien

Du benötigst: Büroklammer, Faden, Magnet, Papier, Bleistift Nimm eine magnetisierte Büroklammer und befestige sie an einem Faden (Abb. 4)! Lege nun einen Magneten auf den Tisch und darüber ein Blatt Papier!

Nimm nun den Faden und bringe die Büroklammer in die Nähe des Magneten! Zeichne einen kleinen Pfeil ein!

Anschließend verändere die Position des Fadens und zeichne wieder die Position der Büroklammer ein!

Mache dies ein paar Mal und du erhältst die Magnetfeldlinien!

Erkläre und beschreibe deine Beobachtungen!

B.:

Versuch 5: Aus Metall wird ein Magnet

Du benötigst: Kompass, Büroklammer, Magneten, Kork oder Styropor, Schale, Wasser

Wir bauen uns einen kleinen Kompass. Nimm eine Büroklammer und streiche ein paar Mal in eine Richtung mit einem Magneten über sie!

Danach lege die Büroklammer auf ein kleines Stück Styropor oder Kork, der in einer kleinen Schale im Wasser schwimmt!

Die Büroklammer wird sich nach Norden ausrichten. Aus ihr wird ein Magnet (Abb. 5).

Begründe, warum das passiert!

B.:

Versuch 6: Ein einfacher Transformator

Du benötigst: Batterie, Spule, Draht, Büroklammern, Glühbirne

Nimm eine Spule mit ungefähr 30 Wicklungen! Jetzt wickle mit einem neuen isolierten Draht zusätzlich 30 Wicklungen! Befestige an den Wicklungen des ersten Drahtes eine Glühbirne!

Stelle einen Kontakt mit der Batterie und dem zweiten Draht her und achte genau darauf, wann der Draht leuchtet (Abb. 6)!

Abb. 4

Abb. 5

Abb. 6

Musterseite

(24)

Versuch 7: Ein einfaches Messgerät

Du benötigst: Becher, Strohhalm, Klebeband, kleiner Magnet, Faden, Batterie, Eisennagel, Draht, Büroklammern Befestige einen Strohhalm auf einem Becher! Anschließend befestige einen kleinen Magneten an einem dünnen Faden!

Der Magnet sollte frei hängen und wird sich nach Norden ausrichten.

Nimm einen Eisennagel und wickle vorsichtig ca. 30-mal einen isolierten Draht um den Nagel! Lege nun diese Spule in die Nähe des Magneten! Wie hängt die Bewegung des Magneten vom Strom durch die Spule ab (Abb. 7)?

Erkläre deine Beobachtungen!

B.:

Versuch 8: Der Kondensator

Du benötigst: Kondensator, Batterie, Leuchtdiode

Nimm einen Kondensator und verbinde die Pole mit einer Batterie (nur kurz)! Durch diesen Vorgang wird der Kondensator aufgeladen (Abb. 8). Verbinde nun die Pole des Kondensators mit den Polen einer Leuchtdiode!

Was passiert? Erkläre deine Beobachtungen!

Vertausche bei diesem Versuch einerseits die Pole des Kondensators, andererseits die Pole der Leuchtdiode!

B.:

Versuch 9: Die Leuchtdiode

Du benötigst: Leuchtdiode, 150-Ω-Widerstand, Batterie (Abb. 9)

Verbinde einen Pol einer Leuchtdiode mit einem Pol eines 150-Ω-Widerstandes! Verbinde den freien Pol der Leuchtdiode und den freien Pol des Widerstandes mit der Batterie! Was passiert?

Vertausche die Polung der Batterie! Was passiert nun?

Begründe deine Beobachtung!

Abb. 7

Abb. 9 Abb. 8

Musterseite

(25)

Versuch 10: Schwebende Büroklammer

Du benötigst: Faden, Büroklammer, Klebestreifen, Teller, Magnet

Befestige einen Faden an einer Büroklammer! Das freie Ende sollte mit einem Klebestreifen am Tisch befestigt werden. Halte den Magneten solange über die Büroklammer, bis sie schwebt (Abb. 10)!

Welcher physikalische Effekt steckt dahinter?

B.:

Versuch 11: Nordpol

Du benötigst: Eisennagel, Draht, Batterie, Kompass

Nimm einen Eisennagel und wickle 30-mal einen Draht um ihn! Die Windungen sollten nebeneinander liegen. Verbinde nun den Draht mit einer Batterie. Fließt Strom, ist der Nagel magnetisch (Abb. 11). Wo ist der Nordpol?

Was passiert, wenn du die Batterie andersrum anschließt?

Was passiert dann mit den Polen des Elektromagneten?

Notiere deine Beobachtungen!

B.:

Versuch 12: Magnetische Abschirmung

Du benötigst: Faden, Büroklammer, Klebestreifen, Teller, Magnet, Papier, Schlüssel, Metalllöffel, Münzen, Kunststoff (Abb. 12)

Befestige einen Faden an eine Büroklammer und danach den Faden mit einem Klebestreifen am Tisch! Stelle einen Magneten in die Nähe der Büroklammer! Die Büroklammer wird nun zu schweben beginnen.

Halte nun verschiedene Körper zwischen den Magneten und die Büroklammer (Papier, einen Löffel, einen Schlüssel, Münzen und Kunststoff)!

Wann wirkt der Magnet nicht mehr?

B.:

Abb. 11 Abb. 10

Abb. 12

Musterseite

(26)

Versuch 13: Geld

Du benötigst: Münzen und Magnet (Abb. 13)

Nimm ein paar Münzen und einen starken Magneten!

Welche Münzen werden angezogen und welche nicht?

Erkundige dich bei der ÖNB (Österreichischen National- bank), aus welchem Material die einzelnen Münzen bestehen!

Warum kann eine nicht magnetische Münze in Verbindung mit einem Magneten andere Münzen anziehen?

B.:

Versuch 14: Magnetische Induktion

Du benötigst: 10-Cent-Münze und Magnet (Abb. 14)

Nimm eine 10-Cent-Münze und einen Magneten! Die Münze selbst ist nicht magnetisch. Kannst du die Münze mit einem Magneten bewegen?

Was passiert, wenn du den Magneten schnell über die Münze kreisen lässt?

Notiere deine Beobachtung!

B.:

Versuch 15: Einfacher Elektromotor

Du benötigst: Becher, 3 m Dynamodraht, Batterie, Büroklammern, Schleifpapier, Magnet

Nimm 3 m Dynamodraht und wickle ihn zu einem Kreis!

Ziehe die beiden Enden heraus! Lege nun die Spule auf einen Tisch und schleife die obere Seite der beiden Drahtenden mit einem Schleifpapier ab! Schiebe die Spule durch zwei Büroklammern, die mit einer 4,5 V Batterie verbunden sind! Halte einen Magneten in die Nähe der Spule (Abb. 15)!

Notiere deine Beobachtung!

B.:

Abb. 15 Abb. 13

Abb. 14

Musterseite

(27)

Elektrizität – Arbeitsaufträge - Blatt 1

Aufgabe 1: Strom 1

Zeichne eine Schaltung

a) in der eine Glühlampe an einer Spannungsquelle angeschlossen ist, b) der Strom durch die Glühlampe gemessen wird und

c) die Spannung an der Glühlampe gemessen wird.

Lösung:

Aufgabe 2: Schalterstellung

Bei welcher Schalterstellung (oben, unten) der drei Umschalter wird folgendes erreicht?

a) nur Lampe L1 leuchtet b) nur Lampe L2 leuchtet c) nur Lampe L3 leuchtet

d) Lampe L1 und Lampe L3 leuchten

Lösung:

a) ________________________

b) ________________________

c) ________________________

d) ________________________

Musterseite

(28)

Aufgabe 3: Glühlampen

Es sind sieben gleiche Glühlampen entsprechend der Schaltung an einer variablen Spannung angeschlossen. Diese wird so hoch eingestellt, dass mindestens eine Lampe schön hell leuchtet, aber nicht in die Gefahr des Durchbrennens kommt.

Vergleiche die Helligkeiten der Lampen A und B!

a) A ist heller als B.

b) A und B sind gleich hell.

c) A ist dunkler als B.

Lösung: __________________________________

Aufgabe 4: Kassettenrecorder

In einem Kassettenrecorder werden sechs Batterien zu je 1,5 V eingelegt. Drei davon werden in Reihe zu drei anderen parallel geschaltet.

Wie groß ist die Gesamtspannung und warum wählt man diese Schaltungskombination?

Lösung: ____________________

Musterseite

(29)

Aufgabe 5: Gesamtspannung

Wie groß ist die Gesamtspannung, wenn zwei Batterien von je 1,5 V hintereinander, gegeneinander und parallel geschaltet werden?

Lösung:

hintereinander gegeneinander

parallel

Aufgabe 6: Schwarzer Kasten

In der Nähe eines „schwarzen Kastens" nehmen Magnetnadeln die gezeichneten Stellungen ein.

Was lässt sich über den Inhalt des Kastens aussagen?

Lösung:

Aufgabe 7: Büroklammer

Ein Magnet zieht eine Büroklammer an und hält sie fest. Die Büroklammer zieht eine zweite an und hält sie fest.

Wie ist das zu erklären?

Lösung:

Musterseite

(30)

Elektrizität – Arbeitsblatt 1

Arbeitsblatt zum Thema „Strom und Spannung"

Kreuze die richtigen Antworten an!

1. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist ...

O das Volt O das Ampere O das Newtonmeter O das Joule

2. Wenn sich viele Elektronen in eine Richtung bewegen, sprechen wir von ...

O elektrischem Widerstand O elektrischer Spannung O elektrischem Strom

3. Der Physiker Christian Oersted versuchte den Zusammenhang zwischen Elektrizität und ... herzustellen.

O Magnetismus O Spannungsteilen O Wärmeleitung O optischer Brechung

4. ... Elektronen verursachen ein Magnetfeld.

O Starre O Feste O Laufende O Bewegte

5. Wie lautet die Einheit des elektrischen Widerstandes?

O Ohm O Volt O Ampere O Kelvin

6. Wenn zwei Körper den gleichen Elektronenmangel oder den gleichen Elektronenüberschuss haben, herrscht zwischen diesen Körpern ...

O keine Spannung O viel Spannung O volle Spannung O wenig Spannung

7. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und elektrischem Widerstand wird als ... bezeichnet.

O Relativitätstheorie O Gravitationsgesetz O Naturgesetz O Ohm´sches Gesetz

8. Wie verhält sich die Spannung zum Strom?

Musterseite

(31)

Elektrizität – Arbeitsblatt 1 – Lösung

Arbeitsblatt zum Thema „Strom und Spannung"

Kreuze die richtigen Antworten an!

1. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist ...

O das Volt O das Ampere O das Newtonmeter O das Joule

2. Wenn sich viele Elektronen in eine Richtung bewegen, sprechen wir von ...

O elektrischem Widerstand O elektrischer Spannung O elektrischem Strom

3. Der Physiker Christian Oersted versuchte den Zusammenhang zwischen Elektrizität und ... herzustellen.

O Magnetismus O Spannungsteilen O Wärmeleitung O optischer Brechung

4. ... Elektronen verursachen ein Magnetfeld.

O Starre O Feste O Laufende O Bewegte

5. Wie lautet die Einheit des elektrischen Widerstandes?

O Ohm O Volt O Ampere O Kelvin

6. Wenn zwei Körper den gleichen Elektronenmangel oder den gleichen Elektronenüberschuss haben, herrscht zwischen diesen Körpern ...

O keine Spannung O viel Spannung O volle Spannung O wenig Spannung

7. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und elektrischem Widerstand wird als ... bezeichnet.

O Relativitätstheorie O Gravitationsgesetz O Naturgesetz O Ohm´sches Gesetz

8. Wie verhält sich die Spannung zum Strom?

O doppelt so schnell O einfach O proportional O spiegelverkehrt

Musterseite

(32)

Elektrizität – Seite 1 – Lösung

Schriftliche Überprüfung „Elektrizität“

Name: ____________________________________ Klasse: ___________

1) Die elektrische Stromstärke ist die Menge der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters laufen. Die Einheit ist das Ampere.

___/3 2) Wie heißt der Physiker, der zwischen dem Strom und der Spannung einen

Zusammenhang feststellte?

A.: Der Physiker hieß Georg Simon Ohm.

___/1 3) Bewegte Elektronen verursachen ein Magnetfeld. Im Magnetfeld wird die

Bewegung der Elektronen abgelenkt.

___/2 4) Nenne zwei Arten von Magneten!

A.: Paramagnet und Ferromagnet

___/2 5) Was versteht man unter einem „Kommutator“?

A.: Er wird zur Umpolung in elektrischen Maschinen verwendet.

___/1 6) Wovon hängt der Induktionsstrom ab?

A.: Er hängt von der Zahl der Windungen und der Stärke des veränderlichen Magnetfeldes ab.

___/2 7) Was versteht man unter dem Begriff „magnetische Influenz“?

A.: Darunter versteht man die Magnetisierung von Eisen, Nickel und Kobalt durch ein magnetisches Feld.

___/2 8) Kreuze alle ferromagnetischen Stoffe an!

O Eisen O Aluminium O Holmium O Terbium

O Kupfer O Nickel O Zink O Gold

O Lanthanoide O Heizung O Kobalt O Zinn

Musterseite

(33)

Elektrizität – Seite 2 – Lösung

9) Je mehr Wicklungen eine Spule hat beziehungsweise je stärker der Strom ist, desto größer ist die Magnetkraft.

___/3 10) Was erfand der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan?

A.: Er erfand die Kaplan-Turbine.

___/1 11) Eine Spule mit einem Eisenkern wird als Elektromagnet bezeichnet.

___/1 12) Welche unterschiedlichen Kraftwerke kennst du? Kreuze an!

O Sonnenkraftwerke O Biomassekraftwerke O Sturmkraftanlagen O Photovoltaikanlagen O Schneekraftwerke O Windkraftanlagen O Kernkraftwerke O Speicherkraftwerke O Erdkraftwerke

O Meerkraftwerke O Braunkohlekraftwerke O Wasserkraftwerke ___/7

NOTE von bis %

Gesamtpunkte: 31 5 0 15 0%-49%

4 ^{16 20} ^50%-67%

3 ^{21 25} ^68%-81%

2 ^{26 28} ^82%-90%

1 ^{29 31} ^91%-100%

Punkte: _ = % Note:

_______________________________________

Musterseite

(34)

Elektrizität – Worträtsel 1

Worträtsel

Suche folgende Begriffe, die in Zusammenhang mit dem Thema „Elektrizität“

stehen!

2.

1. 7. 9.

10. 12.

8.

11.

3.

13.

6.

5.

15.

4.

14.

Waagrecht:

1. Hans Christian Oersted stellte einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und ________________ her.

3. Mithilfe der _______________ kann man elektrischen Strom fließen lassen.

4. Die Einheit der Spannung ist das ____________.

6. Bringt man einen p- und einen n-Leiter zusammen, so erhält man eine ____________.

8. Bewegte ______________ verursachen ein Magnetfeld.

12. Mit einer großen Anzahl an Relais kann man auch einen _____________ aufbauen.

14. Bei der _________________ wird ein Pol aller Spulen miteinander verbunden.

15. Einen _______________ benötigt man, um einen Schwingkreis aufzubauen.

Senkrecht:

2. Es gibt zwei Arten von Magneten: Ferromagnete und _____________________.

5. Ein Schwingkreis besteht aus einer ___________.

7. Es gibt verschiedene Energiequellen, die einen ______________ bewegen können.

9. Mit einem ______________ kann man Ströme und Spannungen verstärken bzw. ein- oder ausschalten.

10. Im ______________ wird die Bewegung der Elektronen abgelenkt.

Musterseite

(35)

Elektrizität – Worträtsel 1 - Lösung

Worträtsel

Suche folgende Begriffe, die in Zusammenhang mit dem Thema „Elektrizität“

stehen!

2.

P

1. M A G N E T I S M U S ^7. ^9.

R G T

A ^10. E ^12. C O M P U T E R

M M N A

A A 8. E L E K T R O N E N N

G G R ^11. S

3. I N D U K T I O N A S I

E E T ^13. T S

T T O F R T

E F R A ^6. D I O D E O

5. E R M R

S L A S

P D ^15. K O N D E N S A T O R

U Ä

4. V O L T R

E K

E

14. S T E R N S C H A L T U N G

Waagrecht:

1. Hans Christian Oersted stellte einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und ________________ her.

3. Mithilfe der _______________ kann man elektrischen Strom fließen lassen.

4. Die Einheit der Spannung ist das ____________.

6. Bringt man einen p- und einen n-Leiter zusammen, so erhält man eine ____________.

8. Bewegte ______________ verursachen ein Magnetfeld.

12. Mit einer großen Anzahl an Relais kann man auch einen _____________ aufbauen.

14. Bei der _________________ wird ein Pol aller Spulen miteinander verbunden.

15. Einen _______________ benötigt man, um einen Schwingkreis aufzubauen.

Senkrecht:

2. Es gibt zwei Arten von Magneten: Ferromagnete und _____________________.

5. Ein Schwingkreis besteht aus einer ___________.

7. Es gibt verschiedene Energiequellen, die einen ______________ bewegen können.

9. Mit einem ______________ kann man Ströme und Spannungen verstärken bzw. ein- oder ausschalten.

10. Im ______________ wird die Bewegung der Elektronen abgelenkt.

11. Je mehr Elektronen gleichzeitig durch einen Draht fließen, desto höher ist die ___________.

13. Die Einheit für die Speicherung von Elektronen ist das ____________.

Musterseite

(36)

Elektrizität – Worträtsel 2

1. Klanglos

Aus den folgenden Hauptwörtern wurden die Vokale und Umlaute (a, e, i, o, u, ei, eu, ai, ä, ö und ü) entfernt. Finde heraus, um welche Wörter es sich ursprünglich handelt!

1 Prmnntmgnt 2 Wssrstfftm 3 lktrnnmngl

4 Lchtgschwndgkt 5 ndktnsstrm 6 Glchstrmmtr 7 Drcksschltng 8 Spchrkrftwrk 9 Schwngkrs 10 Spnnngstlr

2. Silbensalat

Bilde aus den 22 Silben fünf Wörter! Die Wortanfänge sind grau unterlegt.

pier Trans mag pel for

pfän ler schnip Dia schwing

Pa ma flü net Pro

ismus ger Em tor gel

kreis sel

1) _____________________

2) _____________________

3) _____________________

4) _____________________

Musterseite

(37)

Elektrizität – Worträtsel 2 – Lösung

1. Klanglos

Aus den folgenden Hauptwörtern wurden die Vokale und Umlaute (a, e, i, o, u, ei, eu, ai, ä, ö und ü) entfernt. Finde heraus, um welche Wörter es sich ursprünglich handelt!