Physik · Klasse 9 und 10 · Kapitel
Energieumwandlungen in Natur und Technik
- Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
- Merken kommt ins Heft
- Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
- Üben selbst rechnen
- Achtung typischer Fehler
- Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen
○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.
1Ich unterscheide Energieformen.
MerkenEnergieformen
Lage-, Bewegungs-, Spann-, thermische, elektrische, chemische und Strahlungsenergie.
Die Form wechselt, die Menge nicht.
BeispielLängen und Massen umrechnen
Schritt für Schritt
- 1 m = 100 cm
- 12 · 100 = 1200
- 12 m = 1200 cm
- 1 m = 100 cm
- 12 · 100 = 1200
- 12 m = 1200 cm
AchtungEinheit nicht umgerechnet
Rechne um: 3 t = ? kg → 3.000.000 kg
Rechne um: 3 t = ? kg → 3.000 kg
Prüfe die Einheiten: Stehen alle Zahlen in derselben? Sonst erst umrechnen.
ÜbenJetzt du
- ○1Rechne um: 3 t = ? kgSo fängst du an:1 t = 1000 kg
Lösung zeigen
- 1 t = 1000 kg
- 3 · 1000 = 3000
- 3 t = 3000 kg
Ergebnis:3000 kg - ●2Rechne um: 600 cm = ? m
Lösung zeigen
- 1 m = 100 cm
- 600 : 100 = 6
- 600 cm = 6 m
Ergebnis:6 m - ★3Rechne um: 1200 mm = ? m
Lösung zeigen
- 1 m = 1000 mm
- 1200 : 1000 = 1,2
- 1200 mm = 1,2 m
Ergebnis:1,2 m
2Ich beschreibe Energieumwandlungsketten.
MerkenUmwandlungskette
Jede Kette beginnt bei einer Quelle und endet bei Wärme.
Dazwischen steht das, was man nutzen will.
BeispielZeiten umrechnen
Schritt für Schritt
- 1 h = 60 min
- 0,25 · 60 = 15
- 0,25 h = 15 min
- 1 h = 60 min
- 0,25 · 60 = 15
- 0,25 h = 15 min
AchtungMinuten als Dezimalstellen
Rechne um: 0,25 h = ? min → 25
Rechne um: 0,25 h = ? min → 15 min
Denk an die Uhr: Eine Stunde hat 60 Minuten.
ÜbenJetzt du
- ○4Rechne um: 0,5 h = ? minSo fängst du an:1 h = 60 min
Lösung zeigen
- 1 h = 60 min
- 0,5 · 60 = 30
- 0,5 h = 30 min
Ergebnis:30 min - ●5Rechne um: 2 h = ? min
Lösung zeigen
- 1 h = 60 min
- 2 · 60 = 120
- 2 h = 120 min
Ergebnis:120 min - ★6Rechne um: 150 s = ? min
Lösung zeigen
- 1 min = 60 s
- 150 : 60 = 2,5
- 150 s = 2,5 min
Ergebnis:2,5 min
3Ich wende den Energieerhaltungssatz an.
MerkenEnergieerhaltung
Energie geht nie verloren und entsteht nie neu.
Sie wird nur umgewandelt – und dabei zu einem Teil unbrauchbar.
BeispielEnergieerhaltung: Höhe und Geschwindigkeit
Schritt für Schritt
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 7,2 m = 144 m²/s²
- v = √144 m²/s² = 12 m/s
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 7,2 m = 144 m²/s²
- v = √144 m²/s² = 12 m/s
AchtungDie 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
Schau auf die Einheit: m²/s² heißt, es ist noch v². Erst die Wurzel daraus ist v.
ÜbenJetzt du
- ○7Ein Apfel mit 0,2 kg fällt aus 11,25 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Luftwiderstand). Wie schnell ist er unten? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
Lösung zeigen
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 11,25 m = 225 m²/s²
- v = √225 m²/s² = 15 m/s
Ergebnis:15 m/s - ●8Ein Ball mit 0,5 kg fällt aus 0,2 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Luftwiderstand). Wie schnell ist er unten? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 0,2 m = 4 m²/s²
- v = √4 m²/s² = 2 m/s
Ergebnis:2 m/s - ★9Ein Achterbahnwagen startet in 20 m Höhe aus der Ruhe. Wie schnell ist er in 8,75 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Reibung)? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- m · g · Δh = ½ · m · v², die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · Δh
- Δh = 20 m − 8,75 m = 11,25 m, v² = 20 N/kg · 11,25 m = 225 m²/s²
- v = √225 m²/s² = 15 m/s
Ergebnis:15 m/s
4Ich berechne die Lageenergie.
MerkenLageenergie
E = m · g · h. Doppelte Höhe bedeutet doppelte Lageenergie.
BeispielHubarbeit
Schritt für Schritt
- W = m · g · h
- W = 2 kg · 10 N/kg · 10 m
- W = 200 J
- W = m · g · h
- W = 2 kg · 10 N/kg · 10 m
- W = 200 J
AchtungKomma beim Mal oder Durch 10, 100, 1000 falsch verschoben
3,5 · 10 = 0,35
3,5 · 10 = 35
Frag dich: Wird die Zahl größer oder kleiner? Mit mal 10 wird sie größer.
ÜbenJetzt du
- ○10Eine Last mit der Masse 5 kg wird 3 m hoch gehoben (g ≈ 10 N/kg). Wie viel Hubarbeit ist das? Berechne mit Einheit.So fängst du an:W = m · g · h
Lösung zeigen
- W = m · g · h
- W = 5 kg · 10 N/kg · 3 m
- W = 150 J
Ergebnis:150 J - ●11Eine Last mit der Masse 50 kg wird 4 m hoch gehoben (g ≈ 10 N/kg). Wie viel Hubarbeit ist das? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- W = m · g · h
- W = 50 kg · 10 N/kg · 4 m
- W = 2000 J
Ergebnis:2000 J - ★12Beim Hochheben einer Last mit 10 kg werden 300 J Arbeit verrichtet (g ≈ 10 N/kg). Wie hoch wurde sie gehoben? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- W = m · g · h, also h = W : (m · g)
- m · g = 10 kg · 10 N/kg = 100 N
- h = 300 J : 100 N = 3 m
Ergebnis:3 m
5Ich berechne die Bewegungsenergie.
MerkenBewegungsenergie
E = ½ · m · v². Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie – daher die Wucht bei hohem Tempo.
BeispielBewegungsenergie
Schritt für Schritt
- E = ½ · m · v²
- v² = (20 m/s)² = 400 m²/s²
- E = ½ · 0,4 kg · 400 m²/s² = 80 J
- E = ½ · m · v²
- v² = (20 m/s)² = 400 m²/s²
- E = ½ · 0,4 kg · 400 m²/s² = 80 J
AchtungDen 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
Schreib die Formel ganz hin: E = ½ · m · v². Nimm am Ende die Hälfte.
ÜbenJetzt du
- ○13Ein Radfahrer mit Rad hat die Masse 100 kg und ist 5 m/s schnell. Berechne die Bewegungsenergie.So fängst du an:E = ½ · m · v²
Lösung zeigen
- E = ½ · m · v²
- v² = (5 m/s)² = 25 m²/s²
- E = ½ · 100 kg · 25 m²/s² = 1250 J
Ergebnis:1250 J - ●14Ein Skateboarder hat die Masse 40 kg und ist 5 m/s schnell. Berechne die Bewegungsenergie.
Lösung zeigen
- E = ½ · m · v²
- v² = (5 m/s)² = 25 m²/s²
- E = ½ · 40 kg · 25 m²/s² = 500 J
Ergebnis:500 J - ★15Ein Lieferwagen mit 1200 kg fährt 18 km/h. Berechne seine Bewegungsenergie in kJ.
Lösung zeigen
- E = ½ · m · v², die Geschwindigkeit in m/s
- 18 km/h = 18 : 3,6 m/s = 5 m/s
- E = ½ · 1200 kg · (5 m/s)² = 15.000 J
- 15.000 J = 15 kJ
Ergebnis:15 kJ
6Ich berechne Wirkungsgrade.
MerkenWirkungsgrad
η = Nutzen : Aufwand, immer kleiner als 1. Der Rest wird zu Wärme, die sich nicht mehr nutzen lässt.
BeispielWirkungsgrad
Schritt für Schritt
- η = E_nutz : E_zu
- η = 400 J : 500 J = 0,8
- η = 80 %
- η = E_nutz : E_zu
- η = 400 J : 500 J = 0,8
- η = 80 %
AchtungAnteil nicht in Prozent umgerechnet
80 von 2000 = 0,04 %
80 von 2000 = 0,04 = 4 %
Nimm den Anteil mal 100. Dann hast du Prozent.
ÜbenJetzt du
- ○16Eine Lampe nimmt 400 J elektrische Energie auf und gibt 80 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.So fängst du an:η = E_nutz : E_zu
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- η = 80 J : 400 J = 0,2
- η = 20 %
Ergebnis:20 % - ●17Eine Lampe nimmt 2000 J elektrische Energie auf und gibt 1500 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- η = 1500 J : 2000 J = 0,75
- η = 75 %
Ergebnis:75 % - ★18Ein Motor nimmt 500 J auf. Davon gehen 400 J als Wärme verloren. Berechne den Wirkungsgrad.
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- E_nutz = 500 J − 400 J = 100 J
- η = 100 J : 500 J = 0,2 = 20 %
Ergebnis:20 %
7Ich erkläre, warum es keine Maschine ohne Verluste gibt.
MerkenEntwertung
Am Ende jeder Kette steht Wärme bei Umgebungstemperatur.
Sie ist noch da, aber für nichts mehr zu gebrauchen.
BeispielNutzbare Energie
Schritt für Schritt
- E_nutz = η · E_zu
- 20 % = 0,2
- E_nutz = 0,2 · 100 J = 20 J
- E_nutz = η · E_zu
- 20 % = 0,2
- E_nutz = 0,2 · 100 J = 20 J
AchtungProzentsatz nicht durch 100
20 % von 800 = 800 · 20 = 16.000
20 % von 800 = 800 : 100 · 20 = 160
Rechne zuerst 1 %: teile durch 100.
ÜbenJetzt du
- ○19Ein Motor mit dem Wirkungsgrad 90 % nimmt 400 J auf. Wie viel Energie gibt er nutzbar ab? Berechne mit Einheit.So fängst du an:E_nutz = η · E_zu
Lösung zeigen
- E_nutz = η · E_zu
- 90 % = 0,9
- E_nutz = 0,9 · 400 J = 360 J
Ergebnis:360 J - ●20Ein Motor mit dem Wirkungsgrad 20 % nimmt 200 J auf. Wie viel Energie gibt er nutzbar ab? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- E_nutz = η · E_zu
- 20 % = 0,2
- E_nutz = 0,2 · 200 J = 40 J
Ergebnis:40 J - ★21Ein Elektromotor hat den Wirkungsgrad 10 % und gibt 10 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie hat er aufgenommen? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- E_zu = E_nutz : η
- 10 % = 0,1
- E_zu = 10 J : 0,1 = 100 J
Ergebnis:100 J
8Ich vergleiche Kraftwerkstypen nach Wirkungsgrad und Emissionen.
MerkenKraftwerke
Ein Kohlekraftwerk kommt auf etwa 40 %, ein Wasserkraftwerk auf über 85 %.
Der Unterschied liegt an der Wärme im Zwischenschritt.
BeispielWirkungsgrad
Schritt für Schritt
- η = E_nutz : E_zu
- η = 800 J : 2000 J = 0,4
- η = 40 %
- η = E_nutz : E_zu
- η = 800 J : 2000 J = 0,4
- η = 40 %
AchtungAnteil umgedreht
2/5 von 100 = 250
2/5 von 100 = 100 : 5 · 2 = 40
Teile durch den Nenner. Nimm dann mal den Zähler.
ÜbenJetzt du
- ○22Eine Lampe nimmt 500 J elektrische Energie auf und gibt 375 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.So fängst du an:η = E_nutz : E_zu
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- η = 375 J : 500 J = 0,75
- η = 75 %
Ergebnis:75 % - ●23Eine Lampe nimmt 2000 J elektrische Energie auf und gibt 400 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- η = 400 J : 2000 J = 0,2
- η = 20 %
Ergebnis:20 % - ★24Ein Motor nimmt 400 J auf. Davon gehen 80 J als Wärme verloren. Berechne den Wirkungsgrad.
Lösung zeigen
- η = E_nutz : E_zu
- E_nutz = 400 J − 80 J = 320 J
- η = 320 J : 400 J = 0,8 = 80 %
Ergebnis:80 %
9Ich beurteile Maßnahmen zum Energiesparen.
MerkenSparen heißt umwandeln vermeiden
Jede Umwandlung kostet. Wer eine Stufe der Kette weglässt – dämmen statt heizen, rollen statt bremsen – spart am meisten.
BeispielElektrische Leistung
Schritt für Schritt
- P = U · I
- P = 12 V · 1,5 A
- P = 18 W
- P = U · I
- P = 12 V · 1,5 A
- P = 18 W
AchtungNachkommastellen beim Mal falsch gezählt
0,3 · 0,2 = 0,6
0,3 · 0,2 = 0,06
Zähl die Stellen nach dem Komma in beiden Zahlen zusammen.
ÜbenJetzt du
- ○25Ein Gerät liegt an 9 V, es fließen 0,5 A. Berechne die elektrische Leistung.So fängst du an:P = U · I
Lösung zeigen
- P = U · I
- P = 9 V · 0,5 A
- P = 4,5 W
Ergebnis:4,5 W - ●26Ein Gerät liegt an 3 V, es fließen 0,1 A. Berechne die elektrische Leistung.
Lösung zeigen
- P = U · I
- P = 3 V · 0,1 A
- P = 0,3 W
Ergebnis:0,3 W - ★27Ein Staubsauger mit 690 W ist an 230 V angeschlossen. Wie groß ist die Stromstärke? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- I = P : U
- I = 690 W : 230 V
- I = 3 A
Ergebnis:3 A
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●28Ein Stein mit 4 kg fällt aus 1,8 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Luftwiderstand). Wie schnell ist er unten? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 1,8 m = 36 m²/s²
- v = √36 m²/s² = 6 m/s
Ergebnis:6 m/s - ●29Eine Skifahrerin (60 kg) startet in 6 m Höhe aus der Ruhe (g ≈ 10 N/kg). Unten sind es 2700 J Bewegungsenergie. Wie viel wurde zu Wärme? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Energie bleibt erhalten: Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten + Wärme
- E_lage = 60 kg · 10 N/kg · 6 m = 3600 J
- Wärme = 3600 J − 2700 J = 900 J
Ergebnis:900 J - ●30Eine Kiste wird mit der Kraft 25 N über 12 m geschoben. Berechne die Arbeit.
Lösung zeigen
- W = F · s
- W = 25 N · 12 m
- W = 300 J
Ergebnis:300 J - ●31Eine Last mit der Masse 60 kg wird 1,5 m hoch gehoben (g ≈ 10 N/kg). Wie viel Hubarbeit ist das? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- W = m · g · h
- W = 60 kg · 10 N/kg · 1,5 m
- W = 900 J
Ergebnis:900 J - ●32Ein Radfahrer mit Rad hat die Masse 90 kg und ist 4 m/s schnell. Berechne die Bewegungsenergie.
Lösung zeigen
- E = ½ · m · v²
- v² = (4 m/s)² = 16 m²/s²
- E = ½ · 90 kg · 16 m²/s² = 720 J
Ergebnis:720 J - ●33Ein Schlitten hat bei 6 m/s die Bewegungsenergie 600 J. Wie groß ist sie bei 3 m/s, wenn die Masse gleich bleibt? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- E = ½ · m · v²: Die Geschwindigkeit zählt im Quadrat.
- 3 m/s : 6 m/s = 0,5, also 0,5² = 0,25
- E = 0,25 · 600 J = 150 J
Ergebnis:150 J
Auf einen Blick
MerkenDas Wichtigste
- Energieformen
- Lage-, Bewegungs-, Spann-, thermische, elektrische, chemische und Strahlungsenergie.
- Umwandlungskette
- Jede Kette beginnt bei einer Quelle und endet bei Wärme.
- Energieerhaltung
- Energie geht nie verloren und entsteht nie neu.
- Lageenergie
- E = m · g · h. Doppelte Höhe bedeutet doppelte Lageenergie.
- Bewegungsenergie
- E = ½ · m · v². Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie – daher die Wucht bei hohem Tempo.
- Wirkungsgrad
- η = Nutzen : Aufwand, immer kleiner als 1. Der Rest wird zu Wärme, die sich nicht mehr nutzen lässt.
- Entwertung
- Am Ende jeder Kette steht Wärme bei Umgebungstemperatur.
- Kraftwerke
- Ein Kohlekraftwerk kommt auf etwa 40 %, ein Wasserkraftwerk auf über 85 %.
- Sparen heißt umwandeln vermeiden
- Jede Umwandlung kostet. Wer eine Stufe der Kette weglässt – dämmen statt heizen, rollen statt bremsen – spart am meisten.
AchtungWirkungsgrad über 100 %
Aufwand 100 J, Nutzen 5 J → η = 100 : 5 = 20 = 2000 %
η = 5 J : 100 J = 0,05 = 5 %
Nutzen durch Aufwand – wenn mehr als 1 herauskommt, sind Zähler und Nenner vertauscht.
AchtungEnergie geht verloren
100 J zugeführt, 40 J genutzt → 60 J sind verloren
100 J = 40 J Nutzen + 60 J Wärme (nichts verloren, nur entwertet)
Energie verschwindet nie. Sie wird zu Wärme, die man nicht mehr nutzen kann – das ist etwas anderes.
Achtungv² als 2v gerechnet
m = 2 kg, v = 10 m/s: E = ½ · 2 · 2 · 10 = 20 J
E = ½ · 2 kg · (10 m/s)² = ½ · 2 · 100 = 100 J
In ½ · m · v² wird v quadriert. Doppelte Geschwindigkeit ist vierfache Energie.
Kannst du das?
Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.
ÜbenSelbsttest
Ich unterscheide Energieformen.
34Rechne um: 12.000 m = ? kmLösung zeigen
Ergebnis:12 kmIch beschreibe Energieumwandlungsketten.
35Rechne um: 0,75 h = ? minLösung zeigen
Ergebnis:45 minIch wende den Energieerhaltungssatz an.
36Ein Ball mit 0,5 kg fällt aus 5 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Luftwiderstand). Wie schnell ist er unten? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:10 m/sIch berechne die Lageenergie.
37Eine Last mit der Masse 25 kg wird 5 m hoch gehoben (g ≈ 10 N/kg). Wie viel Hubarbeit ist das? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1250 JIch berechne die Bewegungsenergie.
38Ein Fußball hat die Masse 0,4 kg und ist 20 m/s schnell. Berechne die Bewegungsenergie.Lösung zeigen
Ergebnis:80 JIch berechne Wirkungsgrade.
39Eine Lampe nimmt 200 J elektrische Energie auf und gibt 80 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.Lösung zeigen
Ergebnis:40 %Ich erkläre, warum es keine Maschine ohne Verluste gibt.
40Ein Motor mit dem Wirkungsgrad 20 % nimmt 1000 J auf. Wie viel Energie gibt er nutzbar ab? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:200 JIch vergleiche Kraftwerkstypen nach Wirkungsgrad und Emissionen.
41Eine Lampe nimmt 200 J elektrische Energie auf und gibt 40 J als Licht ab. Berechne den Wirkungsgrad in Prozent.Lösung zeigen
Ergebnis:20 %Ich beurteile Maßnahmen zum Energiesparen.
42Ein Gerät liegt an 230 V, es fließen 0,5 A. Berechne die elektrische Leistung.Lösung zeigen
Ergebnis:115 W
Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.
Lösungen
- 3000 kg
- 6 m
- 1,2 m
- 30 min
- 120 min
- 2,5 min
- 15 m/s
- 2 m/s
- 15 m/s
- 150 J
- 2000 J
- 3 m
- 1250 J
- 500 J
- 15 kJ
- 20 %
- 75 %
- 20 %
- 360 J
- 40 J
- 100 J
- 75 %
- 20 %
- 80 %
- 4,5 W
- 0,3 W
- 3 A
- 6 m/s
- 900 J
- 300 J
- 900 J
- 720 J
- 150 J
- 12 km
- 45 min
- 10 m/s
- 1250 J
- 80 J
- 40 %
- 200 J
- 20 %
- 115 W