Elektrische Energie und Leistung

Electrical Energy and Power

Physik Klasse 9 18 Aufgaben

ElektrizitätEnergieLeistungKerncurriculum

Die elektrische Leistung eines Geräts ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke: P = U·I (Einheit Watt). Die umgesetzte Energie folgt aus E = P·t; im Alltag wird sie in Kilowattstunden abgerechnet (Stromrechnung, Typenschilder). Für Haushaltsgeräte lassen sich Leistungsbilanzen aufstellen und ihr Wirkungsgrad bestimmen — wohin die „verlorene" Energie geht, ist nach der Energieentwertung keine offene Frage mehr: sie wird als Wärme entwertet. Verbindet den Energie- mit dem Elektrizitätsstrang und trägt die Energieversorgungs-Diskussion sowie Transformator-Rechnungen.

Voraussetzungen (2)

Elektrischer Stromkreis – Stromstärke, Spannung, Widerstand

Klasse 8

›

Leistung und Wirkungsgrad

Klasse 9

›

Ermöglicht (1)

Die Momentanbilanz — das Netz speichert nichts

Klasse 9

›

Leicht

Multiple Choice #1 12s ▶ Testen

Eine Halogenlampe läuft mit 12 V und 3 A. Welche Rechnung bestimmt ihre elektrische Leistung richtig?

● P = 12 V · 3 A = 36 W
○ P = 12 V / 3 A = 4 W
○ P = 3 A / 12 V = 0,25 W

Die elektrische Leistung ist Spannung mal Stromstärke: P = U · I = 12 V · 3 A = 36 W. Die Divisionen verwechseln die Formel — U / I ergibt den Widerstand (4 Ω), keine Leistung.

Zahleneingabe #2 20s ▶ Testen

An einem Gerät liegen 230 V an und es fließen 2 A. Wie groß ist die elektrische Leistung in Watt?

✓ Antwort: 460

P = U · I = 230 V · 2 A = 460 W.

Lückentext #3 12s ▶ Testen

Die elektrische Energie berechnet sich aus E = P · ___.

✓ Antwort: t

E = P · t. Die elektrische Energie ist das Produkt aus Leistung und Zeit. Bei P in Watt und t in Sekunden ergibt sich E in Joule.

Wahr / Falsch #4 12s ▶ Testen

In einem Prospekt steht: „Diese Waschmaschine hat eine Leistung von 1,2 kWh." Die Einheit ist hier richtig gewählt.

✓ Falsch

Falsch gewählt: kWh ist eine Einheit der Energie (1 kWh = 3.600.000 J), nicht der Leistung. Leistung wird in Watt bzw. Kilowatt angegeben — richtig wäre z. B. „1,2 kW".

Lückentext #5 12s ▶ Testen

Die elektrische Spannung beschreibt die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und hat die Einheit ___.

✓ Antwort: Volt

Die Spannung U wird in Volt (V) gemessen. Sie gibt die Energiedifferenz pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten an.

Zahleneingabe #6 20s ▶ Testen

Durch einen Widerstand fließen 0,5 A bei einer Spannung von 12 V. Welche elektrische Leistung wird am Widerstand umgesetzt (in Watt)?

✓ Antwort: 6

P = U · I = 12 V · 0,5 A = 6 W.

Wahr / Falsch #7 12s ▶ Testen

Jana notiert im Versuchsprotokoll: „geflossene Ladung: 4 A". Die Einheit ist richtig gewählt.

✓ Falsch

Falsch gewählt: Ladung Q wird in Coulomb (C) angegeben. Ampere ist die Einheit der Stromstärke: 1 A = 1 C/s.

Multiple Choice #8 12s ▶ Testen

Durch den Querschnitt einer Leitung fließen in 10 s insgesamt 20 C. Welche Rechnung bestimmt die Stromstärke richtig?

● I = 20 C / 10 s = 2 A
○ I = 20 C · 10 s = 200 A
○ I = 10 s / 20 C = 0,5 A

Die Stromstärke ist die Ladung, die pro Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt fließt: I = Q / t = 20 C / 10 s = 2 A. Multiplizieren oder Umdrehen des Bruchs verwechselt die Definition.

Lückentext #9 15s ▶ Testen

Die Formel für die an einem Widerstand umgesetzte Energie lautet E = U · I · ___.

✓ Antwort: t

E = U · I · t = P · t. Die Energie hängt von Spannung, Stromstärke und der Zeit ab.

Multiple Choice #10 15s ▶ Testen

Welches Gerät hat typischerweise die größte elektrische Leistung?

○ Smartphone-Ladegerät (5 W)
○ Glühbirne (60 W)
● Wasserkocher (2000 W)

Der Wasserkocher hat mit 2000 W die größte Leistung, weil er in kurzer Zeit viel Wasser erhitzen muss.

Mittel

Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Eine Lampe mit 60 W Leistung brennt 5 Stunden. Wie viel elektrische Energie verbraucht sie in Kilowattstunden (kWh)?

✓ Antwort: 0.3

E = P · t = 60 W · 5 h = 300 Wh = 0,3 kWh. Oder: 0,06 kW · 5 h = 0,3 kWh.

Multiple Choice #2 15s ▶ Testen

Die Elementarladung beträgt e ≈ 1,6 · 10⁻¹⁹ C. Welche Ladungsmenge kann auf einem geriebenen Kunststoffstab tatsächlich vorkommen?

● 3,2 · 10⁻¹⁹ C
○ 0,8 · 10⁻¹⁹ C
○ 2,4 · 10⁻¹⁹ C

Jede frei vorkommende Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung: 3,2 · 10⁻¹⁹ C = 2 · e. 0,8 · 10⁻¹⁹ C wäre eine halbe und 2,4 · 10⁻¹⁹ C anderthalb Elementarladungen — beides gibt es frei nicht.

Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ein Wasserkocher hat eine Leistung von 2000 W. Wie viel Energie verbraucht er in 3 Minuten (in Kilojoule)?

✓ Antwort: 360

E = P · t = 2000 W · 180 s = 360.000 J = 360 kJ.

Multiple Choice #4 25s ▶ Testen

Ein Föhn hat auf dem Typenschild: 230 V, 1500 W. Wie groß ist die Stromstärke?

○ ca. 0,15 A
● ca. 6,5 A
○ ca. 15 A

I = P / U = 1500 / 230 ≈ 6,5 A.

Zahleneingabe #5 25s ▶ Testen

Ein elektrischer Heizofen nimmt 2000 W auf und gibt 1600 W als Wärme ab. Wie groß ist sein Wirkungsgrad in Prozent?

✓ Antwort: 80

η = P_nutz / P_zu = 1600 / 2000 = 0,8 = 80 %.

Zahleneingabe #6 25s ▶ Testen

Ein Kühlschrank verbraucht 150 kWh pro Jahr. Was kostet der Strom bei 0,30 €/kWh pro Jahr (in Euro)?

✓ Antwort: 45

Kosten = 150 kWh · 0,30 €/kWh = 45 €.

Zahleneingabe #7 25s ▶ Testen

Durch einen Leiter fließt ein Strom von 3 A. Wie viel Ladung fließt in 2 Minuten durch den Leiter (in Coulomb)?

✓ Antwort: 360

Q = I · t = 3 A · 120 s = 360 C.

Zahleneingabe #8 30s ▶ Testen

Zwei LED-Lampen (je 10 W) und ein Fernseher (100 W) laufen 4 Stunden. Wie viel Energie wird insgesamt verbraucht (in Wh)?

✓ Antwort: 480

Gesamtleistung: 10 + 10 + 100 = 120 W. Energie: E = 120 W · 4 h = 480 Wh.