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Physik · Jahrgang 8, 9, 10 · Basiswissen

Physik 8–10: Arbeit, Leistung, Energie und Wirkungsgrad

Das lernst du

  1. Ich kann die mechanische Arbeit aus Kraft und Weg berechnen.
  2. Ich kann die Hubarbeit beim Heben berechnen.
  3. Ich kann die Leistung als Arbeit je Zeit berechnen.
  4. Ich kann den Wirkungsgrad einer Maschine berechnen.
  5. Ich kann die Bewegungsenergie mit E = ½ · m · v² berechnen.
  6. Ich kann mit dem Energieerhaltungssatz Höhe und Geschwindigkeit verknüpfen.

Merksätze

Arbeit

Arbeit ist Kraft mal Weg in Richtung der Kraft: W = F · s. 1 N · 1 m = 1 J.

Hubarbeit und Lageenergie

Hubarbeit ist Gewichtskraft mal Höhe, also W = m · g · h in Joule.

Die Arbeit steckt danach als Lageenergie im Körper.

Leistung

Leistung ist Arbeit je Zeit: P = W : t, gemessen in Watt.

Wer dieselbe Arbeit schneller schafft, leistet mehr. 1 W = 1 J/s.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist der genutzte Anteil: η = E_nutz : E_zu.

Er liegt immer unter 100 %, der Rest wird meist Wärme.

Bewegungsenergie

Bewegungsenergie ist E = ½ · m · v², mit v in m/s. Doppelt so schnell heißt viermal so viel Energie.

Deshalb wird auch der Bremsweg viermal so lang.

Energieerhaltung

Energie geht nicht verloren, sie wird umgewandelt.

Ohne Reibung gilt m · g · h = ½ · m · v², die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h. Mit Reibung wird ein Teil zu Wärme.

Selbst abfragen

Karte 1 von 6 · Vorderseite
Physik 8–10: Arbeit, Leistung, Energie und WirkungsgradArbeitWas weißt du dazu? Erst selbst sagen, dann umdrehen.

Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.

So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart

Arbeit

Eine Kiste wird mit der Kraft 10 N über 2 m geschoben. Berechne die Arbeit.

  1. W = F · s
  2. W = 10 N · 2 m
  3. W = 20 J

Ergebnis: 20 J

Hubarbeit

Eine Last mit der Masse 2 kg wird 1 m hoch gehoben (g ≈ 10 N/kg). Wie viel Hubarbeit ist das? Berechne mit Einheit.

2 kgF = m · ggehoben um 1 m
  1. W = m · g · h
  2. W = 2 kg · 10 N/kg · 1 m
  3. W = 20 J

Ergebnis: 20 J

Leistung

Ein Motor verrichtet in 2 s die Arbeit 100 J. Berechne seine Leistung.

  1. P = W : t
  2. P = 100 J : 2 s
  3. P = 50 W

Ergebnis: 50 W

Zeit aus der Leistung

Ein kleiner Motor mit der Leistung 5 W verrichtet 10 J Arbeit. Wie lange braucht er? Berechne mit Einheit.

  1. t = W : P
  2. t = 10 J : 5 W
  3. t = 2 s

Ergebnis: 2 s

Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig

Formel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.

Größen verwechselt
Masse = 50 N
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.

Zwischenergebnis als Antwort
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.

Umrechnungszahl falsch
2,5 km = 250 m
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Die Umrechnungszahl stimmt nicht. k heißt 1000, m (milli) heißt ein Tausendstel. Bei cm² sind es 10 000 für einen m².

Einheiten nicht angeglichen
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa

Die Angaben passen noch nicht zusammen. Rechne zuerst in die Einheiten der Formel um, dann setz ein.

Anteil und Prozent verwechselt
η = 30 J : 120 J = 0,25 %
η = 30 J : 120 J = 0,25 = 25 %

0,25 ist ein Viertel, also 25 Prozent. Zum Umrechnen in Prozent mal 100 nehmen.

Einheit vergessen
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.

Den Faktor ½ vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

In der Formel für die Bewegungsenergie steht ein halb: E = ½ · m · v². Du musst am Ende die Hälfte nehmen.

Das Quadrat vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Die Geschwindigkeit steht im Quadrat: v² heißt v mal v. Rechne v² zuerst aus, dann hast du den Rest schnell.

Bewegungsenergie wächst wie die Geschwindigkeit
doppelt so schnell → doppelt so viel Bewegungsenergie
doppelt so schnell → 2² = 4, also viermal so viel Bewegungsenergie

Die Geschwindigkeit steht im Quadrat. Fährst du doppelt so schnell, hast du viermal so viel Energie, dreimal so schnell neunmal so viel.

Die Wurzel vergessen
v² = 2 · 10 N/kg · 5 m = 100, also v = 100 m/s
v² = 100 m²/s², also v = √(100 m²/s²) = 10 m/s

Du hast v² ausgerechnet, nicht v. Zieh am Ende noch die Wurzel.

Energie verschwindet oder kommt dazu
oben 1000 J Lageenergie, unten 800 J Bewegungsenergie: 200 J sind verschwunden
1000 J = 800 J Bewegungsenergie + 200 J Wärme

Energie geht nicht verloren und entsteht nicht neu. Was am Anfang da ist, steckt am Ende in Bewegung, Lage und Wärme.

Schwere Körper fallen schneller
Die schwere Kugel kommt zuerst unten an.
1 kg und 5 kg im Vakuum → gleiche Fallzeit

Die schwere Kugel wird stärker gezogen, ist aber auch schwerer in Bewegung zu bringen. Ohne Luft fallen alle Körper gleich schnell.

Differenz vergessen
v = 60 m : 8 s (ab null gerechnet)
v = (60 m − 20 m) : (8 s − 4 s) = 10 m/s

Für die Steigung zählen die Änderungen: um wie viel der Weg in der Zeitspanne zunimmt. Rechne Endwert minus Anfangswert.

Kilojoule und Joule verwechselt
Q = 4200 J/(kg·K) · 2 kg · 10 K = 84.000 kJ
Q = 84.000 J = 84 kJ

Kilo heißt tausend: 1 kJ sind 1000 J. Schau, ob c in J oder in kJ angegeben ist, und schreib die passende Einheit.

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