Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 8
Energieformen und Energieerhaltung
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 8 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Mechanik und Energie der 8. Jahrgangsstufe lernen Lernende verschiedene Energieformen, die Lageenergie und den Energieerhaltungssatz kennen und beschreiben Energieumwandlungen. Der Energieerhaltungssatz ist ein Grundprinzip der gesamten Physik und zentral für den Prüfungsteil Energie.
Energie: gespeicherte Arbeit
Wird an einem Körper Arbeit verrichtet, wird ihm Energie übertragen. Ein hochgehobener Stein, eine gespannte Feder oder ein fahrendes Auto können ihrerseits wieder Arbeit verrichten. Energie ist deshalb die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Energie hat das Formelzeichen \(E\) und wie die Arbeit die Einheit Joule \((\mathrm{J})\).
| Energieform | Beispiel |
| Lageenergie (potenzielle Energie) | Wasser im Stausee, Apfel am Baum, Achterbahnwagen oben |
| Spannenergie (potenzielle Energie) | gespannte Feder, gespannter Bogen, Trampolin |
| Bewegungsenergie (kinetische Energie) | fahrendes Auto, Wind, fließendes Wasser |
| innere Energie | heißes Wasser, warmer Motor |
| elektrische Energie | Strom aus Steckdose, Batterie, Generator |
| chemische Energie | Benzin, Holz, Nahrung, Akku |
| Strahlungsenergie | Sonnenlicht, Licht einer Lampe |
Lageenergie
Die Lageenergie eines Körpers ist so groß wie die Hubarbeit, die nötig war, um ihn auf seine Höhe zu bringen:
\( E_{\mathrm{pot}}=m\cdot g\cdot h \)
Die Höhe \(h\) wird von einem frei gewählten Nullniveau aus gemessen. Die Lageenergie hängt also davon ab, worauf man sich bezieht. Wichtig ist deshalb immer der Unterschied zwischen zwei Lagen.
Beispiel 1: Lageenergie und Nullniveau
Ein Buch mit \(1{,}5\,\mathrm{kg}\) liegt auf einem Regal \(2{,}0\,\mathrm{m}\) über dem Boden. Wie groß ist seine Lageenergie bezogen auf den Boden und bezogen auf eine \(0{,}8\,\mathrm{m}\) hohe Tischplatte?
Gegeben: \(m=1{,}5\,\mathrm{kg}\), \(h_{\mathrm{Boden}}=2{,}0\,\mathrm{m}\), \(h_{\mathrm{Tisch}}=2{,}0\,\mathrm{m}-0{,}8\,\mathrm{m}=1{,}2\,\mathrm{m}\)
Gesucht: \(E_{\mathrm{pot}}\)
Formel: \(E_{\mathrm{pot}}=m\cdot g\cdot h\)
\( E_{\mathrm{Boden}}=1{,}5\,\mathrm{kg}\cdot 9{,}81\,\mathrm{\frac{N}{kg}}\cdot 2{,}0\,\mathrm{m}\approx 29\,\mathrm{J} \)
\( E_{\mathrm{Tisch}}=1{,}5\,\mathrm{kg}\cdot 9{,}81\,\mathrm{\frac{N}{kg}}\cdot 1{,}2\,\mathrm{m}\approx 18\,\mathrm{J} \)
Antwort: Bezogen auf den Boden hat das Buch etwa \(29\,\mathrm{J}\), bezogen auf die Tischplatte etwa \(18\,\mathrm{J}\) Lageenergie. Fällt es vom Regal auf den Tisch, werden \(18\,\mathrm{J}\) umgewandelt.
Der Energieerhaltungssatz
Merke: Energieerhaltungssatz: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird nur von einer Form in andere Formen umgewandelt. In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant.
Beispiel 2: Energieumwandlung bei der Achterbahn
Ein Achterbahnwagen mit \(500\,\mathrm{kg}\) steht \(40\,\mathrm{m}\) über dem tiefsten Punkt der Bahn. Wie viel Lageenergie hat er, und was geschieht damit auf der Fahrt (Reibung vernachlässigt)?
Gegeben: \(m=500\,\mathrm{kg}\), \(h=40\,\mathrm{m}\)
Gesucht: \(E_{\mathrm{pot}}\) oben
Formel: \(E_{\mathrm{pot}}=m\cdot g\cdot h\)
\( E_{\mathrm{pot}}=500\,\mathrm{kg}\cdot 9{,}81\,\mathrm{\frac{N}{kg}}\cdot 40\,\mathrm{m}=196\,200\,\mathrm{J}\approx 196\,\mathrm{kJ} \)
Antwort: Oben hat der Wagen etwa \(196\,\mathrm{kJ}\) Lageenergie. Auf dem Weg ins Tal wird sie in Bewegungsenergie umgewandelt, im Tal hat er (ohne Reibung) \(196\,\mathrm{kJ}\) Bewegungsenergie. Am niedrigeren zweiten Hügel ist ein Teil wieder Lageenergie, der Rest Bewegungsenergie; die Summe bleibt gleich.
Beispiel 3: Das Pendel
Ein Fadenpendel schwingt hin und her. Welche Energieform überwiegt an den Umkehrpunkten, welche am tiefsten Punkt?
Antwort: An den Umkehrpunkten ist die Kugel kurz in Ruhe; ihre Energie ist ganz Lageenergie. Am tiefsten Punkt ist sie am schnellsten; die Energie ist ganz Bewegungsenergie. Dazwischen wird ständig umgewandelt. Durch Luftreibung wird ein kleiner Teil zu innerer Energie, deshalb kommt das Pendel allmählich zur Ruhe.
Beispiel 4: Ein springender Ball verliert Höhe
Ein Ball wird aus \(1{,}0\,\mathrm{m}\) Höhe fallen gelassen und springt danach nur noch \(0{,}70\,\mathrm{m}\), dann \(0{,}49\,\mathrm{m}\) hoch. Widerspricht das dem Energieerhaltungssatz?
Bei jedem Aufprall wird der Ball kurz verformt. Dabei wird ein Teil der Energie in innere Energie von Ball und Boden umgewandelt; beide werden minimal wärmer, und es entsteht ein Geräusch. Diese Energie steht für den nächsten Sprung nicht mehr als Lageenergie zur Verfügung.
Antwort: Nein. Die Energie geht nicht verloren, sie liegt nur in einer Form vor, die nicht mehr genutzt werden kann. Hier kommt der Ball nach jedem Aufprall auf \(70\,\%\) der vorherigen Höhe.
Beispiel 5: Umwandlungskette im Wasserkraftwerk
Wie wird die Lageenergie des Wassers in einem Stausee zum Licht einer Lampe?
Das Wasser stürzt nach unten (Lage- wird zu Bewegungsenergie), treibt eine Turbine an, die einen Generator dreht (elektrische Energie). In der Lampe wird die elektrische Energie in Licht und innere Energie umgewandelt.
Antwort: Die Energie durchläuft eine Kette von Umwandlungen. An keiner Stelle entsteht neue Energie, an jeder Stelle wird aber ein Teil zu innerer Energie, die sich in der Umgebung verteilt.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- „Energie wird verbraucht.“ Physikalisch wird Energie nur umgewandelt. „Verbraucht“ ist sie im Alltagssinn, wenn sie als innere Energie der Umgebung nicht mehr nutzbar ist.
- Nullniveau nicht angegeben: Bei der Lageenergie immer sagen, worauf sich die Höhe bezieht.
- Masse statt Gewichtskraft: In \(E_{\mathrm{pot}}=m\cdot g\cdot h\) den Ortsfaktor nicht vergessen.
- Innere Energie übersehen: Bei Umwandlungsketten immer auch die Energie nennen, die durch Reibung oder Erwärmung an die Umgebung geht.
- Energie und Leistung verwechselt: Energie in Joule, Leistung in Watt.
Üben: Aufgaben zu Energie und Energieerhaltung
Zum Vertiefen gibt es Verständnisfragen im Quiz, passend zum Thema.
Vorheriges Thema: Arbeit und Leistung
Nächstes Thema: Wirkungsgrad
Vertiefung Jahrgangsstufe 10: Kinetische Energie
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