1 von 42

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

33. Der Energiebegriff 1 von 12

Ohne Energie läuft nichts!

Silvia Kottmann, Münster

Der Energiebegriff ist für die Mechanik von grundlegender Bedeutung. Vermitteln Sie Ihren Schüler mit diesem Beitrag eine Vorstel-lung davon, was man in der Physik unter „Energie“ versteht. Gehen Sie auf den Ener-gieerhaltungssatz ein und zeigen Sie Ihren Schülern Beispiele dafür, dass Energie von einer Form in eine andere Form umgewan-delt werden kann. Wir gehen auf regenera-tive und fossile Energieträger ein (CD-ROM), zeigen, wie ein Kohlekraftwerk funktioniert (CD-ROM) und stellen verschiedene Typen von Kraftwerken vor. Schließlich geht es um den häuslichen Stromverbrauch und darum, was man mit einer Kilowattstunde alles anfangen kann.

Der Beitrag im Überblick

Klasse: 8/9

Dauer: 6–8 Stunden

Ihr Plus:

üGeeignet für fachübergreifendesUnterrichten (Mathematik, Erdkunde)

Mathematik: Umrechnung von Einheiten, Berechnung von Prozentwerten, Erstellung eines Säulendiagramms

Erdkunde: regenerative Energiearten, fossile Energiearten

Inhalt:

• Einheit der Energie

• Energieerhaltungssatz

• Energieformen

• Energiewandler

• Kraftwerke

• Energieverbrauch

Windräder

© I

ng

ram

Pu

bli

shin

g/T

hin

ksto

ck

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden.

zur Vollversion

VORS

CHAU

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

2 von 12 33. Der Energiebegriff

Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise

Lehrplanbezug: Die Energie als Erhaltungsgröße (ca. 20 Std.)1

„Anhand lebensnaher Beispiele erkennen die Schüler die Bedeutung der Energie als Größe, für die das Erhaltungsprinzip gilt. Ausgehend von qualitativen Beschreibungen mechanischer Energieumwandlungen wird ihnen über die Goldene Regel der Mechanik die Formel für die Höhenenergie plausibel, und sie begreifen, wie sich mit dieser und dem Erhaltungsprinzip auch die kinetische Energie mathematisch fassen lässt. An einfachen Beispielen lernen die Jugendlichen dann, wie sie mithilfe der Energieerhaltung physikali-sche Problemstellungen auch quantitativ lösen können. Die Arbeit W lernen sie als Maß für die einem System zu- oder abgeführte Energie kennen.“

Vorkenntnisse

Um die Funktionsweise eines Wärmekraftwerkes (M 5) verstehen zu können, sollten bereits die Themen „Magnetismus“, „Elektromagnet“ und „Stromerzeugung“ behandelt worden sein.

Ablauf

M 1 zeigt den Schülern die beiden Fotos von einem Jungen, der ein Brötchen isst und anschließend Fahrrad fährt. Die Darstellung soll Ihre Schüler zu spontanen Äußerungen anregen. Gleichzeitig wird bei der Bildbetrachtung der Wissensstand der Klasse zum Thema „Energie“ im Brainstorming-Verfahren ermittelt. Mit der Zuordnungsaufgabe und dem Lückentext von M 1 wird der Energiebegriff physikalisch definiert. Greifen Sie die Angabe der Energieeinheit in Joule (J), Newtonmeter (Nm) und Wattsekunde (Ws) bzw. Kilowattstunde (kWh) nach der Bearbeitung von Material M 2 nochmals auf.

In Material M 2 ermitteln Ihrer Schüler mithilfe eines Silbenrätsels die verschiedenen Formen von Energie und dass sie ineinander umwandelbar sind. Dabei lernen sie ver-schiedene Energiewandler und deren Funktionen kennen.

In Material M 3 begegnen die Lernenden verschiedensten Energieträgern (Unterscheidung zwischen fossilen und regenerativen Energieträgern). Der anschließende Text geht auf Vor- und Nachteile der jeweils aufgezählten Energiequellen ein.

Mithilfe eines Puzzles erkunden Ihre Schüler in Material M 4 den Aufbau und die Funkti-onsweise eines Kohlekraftwerkes.

Die Farbfolie M 5 dient als Vertiefung zu Material M 4. Die Darstellung verschiedenster Kraftwerkstypen lädt zu einer Schüler-Lehrer-Diskussion ein. In diesem Zusammenhang bietet sich die Besichtigung eines nahe gelegenen Kraftwerks an. Die unterschiedlichen Kraftwerkstypen könnten auch in Gruppenarbeit oder in Form eines Gruppenpuzzles erar-beitet und die Ergebnisse anschließend im Plenum vorgestellt werden. Die in der Media-thek genannten Internetadressen bieten hier jede Menge weiterführende Informationen.

Der Informationstext in Material M 6 greift die wichtige Problematik des Energiever-brauchs auf. Ihre Schüler ermitteln zunächst den Verbrauch an elektrischer Energie und stellen diesen anschließend prozentual in einem Säulendiagramm dar.

Die Jugendlichen ermitteln im Informationstext von Aufgabe 4 (M 6), welche Arbeiten mit einer Energiemenge von 1 kWh erledigt werden können. Dies stellt die Grundlage für eine Diskussion dar, an welcher Stelle Energie sinnvoll eingespart werden könnte.

1 Vgl. http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26437

zur Vollversion

VORS

CHAU

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

4 von 12 33. Der Energiebegriff

Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz

Allg. physikalische Kompetenz

Inhaltsbezogene Kompetenzen

Die Schüler …

Anforderungs-bereich

F 1, F 2 … können mit dem Begriff „Energie“ eine Vor-stellung verbinden und Beispiele aus ihrem Alltag nennen, wo Energie eine Rolle spielt (M 1),

I

F 1 … wissen, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann (M 2),

I

F 1, F 5 … können Beispiele für Energieumwandlungen nennen (M 2),

II

F 1, F 2 … wissen, dass es regenerative Energieträger und fossile Energieträger gibt und können jeweils Beispiele benennen (M 3),

I

F 1, F 2 ... können die Funktionsweise eines Kohlekraft-werks erklären (M 4),

II

F 1, F 2 … können verschiedene Typen von Kraftwerken aufzählen (M 5),

I

F 3 … können Texten relevante Informationen entnehmen (M 6).

I

Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 48.

Materialübersicht

· V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie LK = Lernkontrolle

M 1 Ab Was ist Energie eigentlich?

M 2 Ab Es gibt verschiedene Formen von Energie

M 3 Ab (CD-ROM) Energie im Überfluss?

M 4 Ab (CD-ROM) Wie wird aus Kohle Strom?

M 5 Fo Es gibt verschiedene Kraftwerkstypen

M 6 Ab Stromverbrauch und Herstellung von Energie

Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 9.

Minimalplan

Wenn die Zeit knapp ist, bearbeiten Ihre Schüler die Materialien M 1 und M 2 als Hausauf-gabe. In der Folgestunde präsentieren einzelne Schüler ihre Lösungen. Als Einstieg in die zweite Stunde verwenden Sie die Farbfolie (M 5). Das Material M 6 bearbeiten Ihre Schüler selbstständig, wobei wieder einzelne Schüler ihre Ergebnisse an der Tafel präsentieren.

zur Vollversion

VORS

CHAU

5 von 42

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

33. Der Energiebegriff 5 von 12

M 1 Was i st Energie eigentlich?

Aufgaben

1. Schneide die Bilder im unteren Teil des Arbeitsblattes aus und fi nde die richtigen Paare. Klebe sie in dein Heft und verbinde sie mit einem Pfeil.

Beispiel:

2. Nun kannst du sicher den Merkkasten vervollständigen. Setze dazu die Begriffe aus dem Kasten in die Lücken ein.

kleiner ARBEIT NEWTONMETER ENERGIEMENGEN gleichen ENERGIE

Merke:

Wird einem Körper zugeführt, so ist er in der

Lage, zu verrichten. Daher misst man die Ener-

gie in der Einheit wie die Arbeit, in Joule (J),

in (Nm) oder auch in Watt-

se kunden (Ws). 1 J = 1 Nm = 1 Ws. Da 1 J ein sehr Energiebetrag

ist, werden größere in Kilojoule (kJ), in Megajoule (MJ)

oder in Kilowattstunden (kWh) angegeben: 1 kWh = 3 600 000 Ws = 3 600 000 J;

1 kJ = 1000 J ⇒ 1 MJ = 1000 kJ = 1 000 000 J

Bilder zu Aufgabe 1:

© i

Sto

ck/T

hin

ksto

ck

Junge isst ein Brötchen. Junge hat Kraft, Fahrrad zu fahren.

© i

Sto

ck/T

hin

ksto

ck

Strom aus der Steckdose

© i

Sto

ck/T

hin

ksto

ck

© i

Sto

ck/T

hin

ksto

ck

© i

Sto

ck/T

hin

ksto

ck

Mühlrad Gebirgsbach Mann mit Bohrmaschine

© P

ure

sto

ck/T

hin

ksto

ck

zur Vollversion

VORS

CHAU

7 von 42

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

33. Der Energiebegriff 7 von 12

M 5 Es gibt verschiedene Kraftwerkstypen

© picture-alliance/OKAPIA KG, Germany

© picture-alliance/KPA/Deutschmann, Thoma © picture-alliance/dpa/dpaweb

© picture-alliance/dpa

© iStock/Thinkstock

© iStock/Thinkstock

zur Vollversion

VORS

CHAU

48 RAAbits Physik August 2017

I/B

8 von 12 33. Der Energiebegriff

M 6 Stromverbrauch und Herstellung von Energie

Aufgaben

1. Lies den Text in Ruhe durch und trage die fehlenden Daten in eine Tabelle ein.

Rund 8 % des von den etwa 41 Millionen deutschen Haushalten verbrauchten Stroms werden allein für die Beleuchtung der Wohnungen verwendet, das sind circa 11,4 Milliarden Kilowattstunden (kWh). Mit weiteren 10 % des verbrauchten Stroms (= 13,8 Milliarden kWh) werden Hi-Fi-Anlagen, Computer und Fernseher betrieben. Kühl- und Ge frierschränke sowie weitere Küchengeräte fressen zusammen mehr als 40 Milliarden Kilowattstunden. Das macht einen Anteil von 30 % am Stromverbrauch aus. Fast die Hälfte des Haushalts stroms geht hingegen in die Produktion von Wärme und Kälte: Zum Kochen, Bügeln und Wäschetrocknen werden 18 % des verbrauchten Stroms (= 25 Milliarden kWh) verwendet, für Warmwasser sowie Heiz- und Klimaan-lagen jeweils weitere 17 %.

Lege in deinem Heft eine Tabelle nach folgendem Muster an:

Nutzen Prozentsatz Kilowattstunden (kWh)

Beleuchtung 8 % 11,4 Milliarden

Fernseher, Hi-Fi, Computer

usw.

2. Berechne den Stromverbrauch für Warmwasser sowie Heiz- und Klimaanlagen in kWh und trage die Zahlen ebenfalls in die Tabelle ein.

Wende den Dreisatz an! Nicht vergessen: 10 % 13,8 Milliarden kWh

3. Erstelle nun ein Säulendiagramm aus den angegebenen Prozentsätzen.

Verwende Excel.

4. a) Lies dir den Text durch und schreibe dann in Stichworten in dein Heft, was du mit einer Kilowattstunde alles anfangen kannst.

Rund 1 Kilowattstunde ist nötig, um einen Hefekuchen zu backen, ebenso viel, um mit einem sparsamen Gerät eine Maschine Wäsche bei 40 °C zu waschen. Ein Kühl schrank mit einem Volumen von 300 Litern kann mit dieser Strommenge 2 Tage laufen. Eine Energiesparlampe mit einer Leistung von 10 Watt spendet mit 1 Kilowattstunde 100 Stunden Licht, eine herkömmliche 100-Watt-Glühbirne schafft mit der gleichen Strommenge gerade mal 10 Stunden. Wer ohne Licht auskommt, kann stattdessen auch 5 Stunden am Computer arbeiten. Das Duschwasser kann mit 1 Kilowattstunde allerdings nur 3 Minuten wieder erwärmt werden.

b) Lies dir den Text durch und schreibe dann in Stichworten auf, wie eine Kilowattstunde Strom erzeugt werden kann.

Der Bund der Energieverbraucher hat aufgelistet, wie man 1 Kilowattstun de Strom erzeugen kann: Im Kraftwerk liefert eine halbe Schaufel Steinkohle (= 300 g) diese Energie. Die Sonne braucht pro Quadratmeter Boden etwa 45 Minuten, um dieselbe Menge Energie zu erzeugen. Die Verbrennung von 1 Kubikmeter Erdgas liefert dage-gen 10 Kilowattstunden. Wer will, kann seinen Strom auch per Muskelkraft erzeugen, muss dafür aber etwas Zeit mitbringen: Auf dem Hometrainer strampelt man für 1 Kilowattstunde ca. 10 Stunden!

zur Vollversion

VORS

CHAU