Energieformen und mechanische Arbeit

Energy Forms and Mechanical Work

Physik Klasse 9 31 Aufgaben
EnergieArbeitMechanikKerncurriculum

Energie tritt in verschiedenen Formen auf — Höhen-, Bewegungs-, Spann-, thermische, chemische, elektrische Energie —, und Vorgänge in Natur und Technik sind Umwandlungen zwischen diesen Formen (Duit 1986). Mechanische Arbeit W = F·s misst, wie viel Energie einem Körper dabei zugeführt oder entzogen wird; Sonderfälle sind die Hubarbeit E_h = m·g·h und die Bewegungsenergie E_kin = ½·m·v². Trägt Entwertung und Erhaltung — die beiden anderen Grundelemente des Energiebegriffs — sowie Leistung und Wärmelehre.

Voraussetzungen (1)

Kräfte und Gleichgewicht
Klasse 8
›

Ermöglicht (3)

Energieentwertung — warum Energie „verbraucht" scheint
Klasse 9
›
Potential und Spannung
Klasse 12
›
Wärme und Temperatur – Teilchenmodell
Klasse 9
›
Leicht
Multiple Choice #1 15s ▶ Testen

Welche der folgenden Größen ist KEINE mechanische Energieform?

  • ○ Kinetische Energie
  • ○ Höhenenergie
  • ○ Spannenergie
  • ● Wärmeenergie
Wärmeenergie (thermische Energie) ist keine mechanische Energieform. Die mechanischen Energieformen sind kinetische Energie, Höhenenergie (potentielle Energie) und Spannenergie.
Lückentext #2 12s ▶ Testen

Die Einheit der Energie ist ___ (Abkürzung: J).

✓ Antwort: Joule
Energie wird in Joule (J) gemessen. 1 Joule = 1 Newtonmeter = 1 kg·m²/s².
Wahr / Falsch #3 12s ▶ Testen

Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft entlang eines Weges wirkt.

✓ Wahr
Richtig! Mechanische Arbeit W = F · s. Es muss eine Kraft F entlang eines Weges s wirken, damit Arbeit verrichtet wird.
Zahleneingabe #4 25s ▶ Testen

Ein Kran hebt eine Kiste mit der Gewichtskraft 500 N um 4 m hoch. Wie viel Hubarbeit wird verrichtet (in Joule)?

✓ Antwort: 2000
Hubarbeit W = F · s = 500 N · 4 m = 2000 J. Die Kraft wirkt entlang des Weges nach oben.
Zahleneingabe #5 20s ▶ Testen

Ein Schüler schiebt einen Schrank mit einer Kraft von 120 N über eine Strecke von 3 m. Wie groß ist die verrichtete Arbeit in Joule?

✓ Antwort: 360
W = F · s = 120 N · 3 m = 360 J.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Ein Ball wird senkrecht nach oben geworfen. Welche Energieumwandlung findet beim Aufstieg statt?

  • ● Kinetische Energie → Höhenenergie
  • ○ Höhenenergie → kinetische Energie
  • ○ Spannenergie → kinetische Energie
  • ○ Wärmeenergie → Höhenenergie
Beim Aufstieg wird die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Balls in Höhenenergie (potentielle Energie) umgewandelt. Der Ball wird langsamer und steigt höher.
Lückentext #7 15s ▶ Testen

Die Formel für die Höhenenergie lautet E_h = m · g · ___.

✓ Antwort: h
Die Höhenenergie berechnet sich aus E_h = m · g · h, wobei m die Masse, g die Erdbeschleunigung (≈ 9,81 m/s²) und h die Höhe ist.
Zahleneingabe #8 25s ▶ Testen

Ein Gegenstand mit der Masse 2 kg befindet sich in 5 m Höhe. Wie groß ist seine Höhenenergie? (g = 10 m/s², Antwort in Joule)

✓ Antwort: 100
E_h = m · g · h = 2 kg · 10 m/s² · 5 m = 100 J.
Lückentext #9 15s ▶ Testen

Die Formel für die kinetische Energie lautet E_kin = ½ · m · ___².

✓ Antwort: v
Die kinetische Energie berechnet sich aus E_kin = ½ · m · v², wobei m die Masse und v die Geschwindigkeit ist.
Lückentext #10 12s ▶ Testen

Die Einheit der mechanischen Arbeit ist ___, genau wie die Einheit der Energie.

✓ Antwort: Joule
Arbeit und Energie haben dieselbe Einheit: Joule (J). Arbeit beschreibt den Energietransfer, Energie den Zustand.
Karteikarte #11 20s ▶ Testen

Welches Formelzeichen hat die Energie?

✓ Antwort: E
Karteikarte #12 20s ▶ Testen

Welche Größe hat das Formelzeichen E?

✓ Antwort: die Energie
Karteikarte #13 20s ▶ Testen

Welches Formelzeichen hat die Arbeit?

✓ Antwort: W
Karteikarte #14 20s ▶ Testen

Welche Größe hat das Formelzeichen W?

✓ Antwort: die Arbeit
Karteikarte #15 20s ▶ Testen

Welches Formelzeichen hat die Leistung?

✓ Antwort: P
Karteikarte #16 20s ▶ Testen

Welche Größe hat das Formelzeichen P?

✓ Antwort: die Leistung
Karteikarte #17 20s ▶ Testen

In welcher Einheit misst man die Energie?

✓ Antwort: Joule
Karteikarte #18 20s ▶ Testen

Welche Größe misst man in Joule?

✓ Antwort: die Energie
Karteikarte #19 20s ▶ Testen

In welcher Einheit misst man die Leistung?

✓ Antwort: Watt
Karteikarte #20 20s ▶ Testen

Welche Größe misst man in Watt?

✓ Antwort: die Leistung
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Auto mit der Masse 1000 kg fährt mit 10 m/s. Wie groß ist seine kinetische Energie in Joule?

✓ Antwort: 50000
E_kin = ½ · m · v² = ½ · 1000 kg · (10 m/s)² = ½ · 1000 · 100 = 50.000 J.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Welche Energieumwandlung findet beim Spannen einer Feder statt?

  • ● Kinetische Energie → Spannenergie
  • ○ Höhenenergie → kinetische Energie
  • ○ Spannenergie → Wärmeenergie
  • ○ Höhenenergie → Spannenergie
Beim Spannen einer Feder wird die kinetische Energie der Hand in Spannenergie der Feder umgewandelt. Die Feder speichert diese Energie.
Wahr / Falsch #3 20s ▶ Testen

Die Hubarbeit hängt vom gewählten Weg ab – ein steilerer Weg erfordert mehr Arbeit.

✓ Falsch
Falsch! Die Hubarbeit ist wegunabhängig. Sie hängt nur von der Gewichtskraft und der Höhendifferenz ab: W_hub = F_G · Δh. Egal ob steil oder über eine Rampe – die Hubarbeit ist gleich.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Ein Fahrradfahrer (80 kg) fährt mit 5 m/s. Wie groß ist seine kinetische Energie? (Antwort in Joule)

✓ Antwort: 1000
E_kin = ½ · m · v² = ½ · 80 kg · (5 m/s)² = ½ · 80 · 25 = 1000 J.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Ein Pendel schwingt hin und her. Am tiefsten Punkt hat es …

  • ● maximale kinetische Energie und minimale Höhenenergie
  • ○ maximale Höhenenergie und minimale kinetische Energie
  • ○ gleich viel kinetische und Höhenenergie
  • ○ keine Energie
Am tiefsten Punkt ist die gesamte Energie in kinetischer Energie. Die Höhenenergie ist dort minimal (Bezugsniveau). Am höchsten Punkt ist es umgekehrt.
Multiple Choice #6 15s ▶ Testen

Beim Bremsen eines Autos wird kinetische Energie hauptsächlich in … umgewandelt.

  • ○ Höhenenergie
  • ○ Spannenergie
  • ● Wärmeenergie
  • ○ Elektrische Energie
Beim Bremsen erzeugt die Reibung in den Bremsscheiben Wärme. Die kinetische Energie wird also in Wärmeenergie umgewandelt.
Zahleneingabe #7 35s ▶ Testen

Ein Kran verrichtet 6000 J Hubarbeit, um eine Kiste 3 m hoch zu heben. Wie schwer ist die Kiste? (g = 10 m/s², Antwort in kg)

✓ Antwort: 200
W = m · g · h → m = W / (g · h) = 6000 / (10 · 3) = 200 kg.
Karteikarte #8 20s ▶ Testen

Für welche Einheit steht das Zeichen J?

✓ Antwort: Joule
J steht für Joule, die Einheit von Energie und Arbeit — benannt nach James Prescott Joule. 1 J = 1 N · m.
Karteikarte #9 20s ▶ Testen

Ein Kran hebt eine Last und verrichtet dabei 5000 J Arbeit. Um wie viel nimmt die Höhenenergie der Last zu?

✓ Antwort: um 5000 J
Arbeit ist übertragene Energie: Was der Kran an Arbeit verrichtet, steckt danach (ohne Reibung) als Höhenenergie in der Last.
Karteikarte #10 20s ▶ Testen

Was bedeutet 1 Watt in Joule und Sekunden?

✓ Antwort: 1 Joule pro Sekunde
Leistung ist Energie pro Zeit: P = E / t. Eine 60-W-Lampe wandelt jede Sekunde 60 J um.
Schwer
Zahleneingabe #1 45s ▶ Testen

Eine Kugel (0,5 kg) fällt aus 8 m Höhe. Welche Geschwindigkeit hat sie kurz vor dem Aufprall? (g = 10 m/s², Antwort in m/s, auf ganze Zahl gerundet)

✓ Antwort: 13
Energieerhaltung: m·g·h = ½·m·v². Nach v aufgelöst: v = √(2·g·h) = √(2·10·8) = √160 ≈ 12,6 ≈ 13 m/s.