Spannenergie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Eine gespannte oder zusammengedrückte Feder kann etwas bewegen. In ihr steckt Spannenergie. Sie gehört zur potenziellen Energie.

Animation: Beim Schwingen wird Spannenergie immer wieder in Bewegungsenergie umgewandelt.

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Das Wichtigste

Wann entsteht Spannenergie?

Spannenergie entsteht, wenn ein elastischer Körper verformt wird. Beispiele sind eine Feder, ein Bogen, ein Gummiband oder ein Trampolin. Lässt Du den Körper los, kann die gespeicherte Energie in Bewegungsenergie, Lageenergie oder Wärmeenergie umgewandelt werden.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Je stärker dieselbe Feder gedehnt wird, desto mehr Spannenergie kann sie speichern.

Formel

Für eine ideale Feder gilt:

$E_{\text{Spann}}=\frac{1}{2}\cdot D\cdot s^2$

1. $E_{\text{Spann}}$: Spannenergie in Joule (J)
2. $D$: Härte der Feder in Newton pro Meter (N/m)
3. $s$: Dehnung oder Stauchung in Meter (m)

Wichtig: Setze die Auslenkung immer in Meter ein.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Die Kraft wächst mit der Auslenkung. Das beschreibt das Hookesche Gesetz.

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Einfaches Beispiel

Eine Feder hat $D=200\mathrm{N}/\mathrm{m}$. Sie wird um $10\mathrm{c}\mathrm{m}=\mathrm{0,10}\mathrm{m}$ gedehnt.

$E_{\text{Spann}}=\frac{1}{2}\cdot 200\mathrm{N}/\mathrm{m}\cdot (\mathrm{0,10}\mathrm{m}{)}^2=1\mathrm{J}$

Die Feder speichert 1 Joule Spannenergie.

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Was verändert die Spannenergie?

1. Federkonstante: Eine härtere Feder speichert bei gleicher Auslenkung mehr Energie.
2. Auslenkung: Eine größere Auslenkung erhöht die Energie besonders stark.
3. Quadratische Funktion: Wird die Auslenkung verdoppelt, wird die Spannenergie vervierfacht.

Datei:Energy SHM.svg

Beim Federschwingen wandeln sich Spannenergie und Bewegungsenergie ineinander um.

Datei:Simple harmonic oscillator.gif

Animation: Das Gewicht bewegt sich zwischen zwei Umkehrpunkten.

Sicherheit

Spanne Federn, Bögen oder Gummibänder nur vorsichtig. Richte sie nie auf Menschen oder Tiere. Beschädigte elastische Körper können reißen.

Lernbereiche

1. Mechanik: Energie in elastisch verformten Körpern untersuchen.
2. Energie: Speicherung und Umwandlung von Energie erklären.
3. Kraft und Bewegung: Den Zusammenhang zwischen Federkraft und Auslenkung verstehen.
4. Experimentieren: Messwerte aufnehmen, auswerten und sicher arbeiten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist Spannenergie? (Energie in einem elastisch verformten Körper) (!Energie nur in einem warmen Körper) (!Energie nur in einem fahrenden Auto) (!Energie nur in einer Batterie)

Zu welcher Energieform gehört die Spannenergie? (Potenzielle Energie) (!Elektrische Energie) (!Kernenergie) (!Schallenergie)

Welche Einheit hat die Spannenergie? (Joule) (!Newton) (!Meter) (!Watt)

Welche Formel gilt für eine ideale Feder? (E gleich ein Halb mal D mal s zum Quadrat) (!E gleich D mal s) (!E gleich D geteilt durch s) (!E gleich ein Halb mal D zum Quadrat mal s)

Was beschreibt die Federkonstante D? (Die Härte einer Feder) (!Die Masse einer Feder) (!Die Farbe einer Feder) (!Die Temperatur einer Feder)

In welcher Einheit wird die Auslenkung in die Formel eingesetzt? (Meter) (!Zentimeter) (!Kilogramm) (!Sekunde)

Was geschieht mit der Spannenergie, wenn die Auslenkung verdoppelt wird? (Sie vervierfacht sich) (!Sie verdoppelt sich) (!Sie halbiert sich) (!Sie bleibt gleich)

Welcher Gegenstand kann Spannenergie speichern? (Eine gedehnte Feder) (!Ein ruhender Stein ohne Höhenänderung) (!Eine ausgeschaltete Lampe) (!Ein leerer Messbecher)

Welche Energie kann beim Loslassen einer Feder entstehen? (Bewegungsenergie) (!Nur Kernenergie) (!Nur Lichtenergie) (!Keine andere Energie)

Was gilt für eine härtere Feder bei gleicher Auslenkung? (Sie speichert mehr Spannenergie) (!Sie speichert weniger Spannenergie) (!Sie speichert immer keine Energie) (!Ihre Spannenergie ist unabhängig von D)

Memory

Spannenergie	elastisch gespeicherte Energie
Federkonstante	Härte der Feder
Auslenkung	Dehnung oder Stauchung
Joule	Einheit der Energie
Hookesches Gesetz	Kraft ist proportional zum Federweg
Bewegungsenergie	Energie eines bewegten Körpers

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Spannenergie	Energie einer verformten Feder
Federkonstante	Maß für die Härte einer Feder
Auslenkung	Änderung gegenüber der Ruhelage
Joule	Einheit der Energie
Energieumwandlung	Wechsel von einer Energieform in eine andere

Kreuzworträtsel

Spannenergie	Welche Energie steckt in einer gespannten Feder?
Joule	Wie heißt die Einheit der Energie?
Feder	Welcher elastische Körper wird im Unterricht oft gedehnt?
Auslenkung	Wie heißt der Abstand von der Ruhelage?
Newton	Welche Einheit hat die Kraft?
Elastisch	Wie nennt man einen Körper, der in seine Ausgangsform zurückkehrt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Spannenergie steckt in einem verformten Körper. Sie ist eine Form der Energie. Die Formel für eine ideale Feder lautet $E_{\text{Spann}}=\frac{1}{2}\cdot D\cdot s^2$, dabei ist D die . Die Auslenkung s wird in eingesetzt. Die Einheit der Energie heißt . Wird die Auslenkung verdoppelt, wird die Spannenergie .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Alltagsbeispiele: Fotografiere oder zeichne vier Gegenstände, die Spannenergie speichern können.
2. Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Feder, Auslenkung, Federkonstante, Spannenergie und Joule in einer Skizze.
3. Erklärvideo: Nimm ein kurzes Video auf, in dem Du Spannenergie mit einem sicheren Beispiel erklärst.
4. Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat mit Regeln für den sicheren Umgang mit Federn und Gummibändern.

Standard

1. Federexperiment: Dehne eine Feder in kleinen Schritten und miss Kraft und Auslenkung. Arbeite nur unter Aufsicht.
2. Messwerttabelle: Trage Deine Werte in eine Tabelle ein und zeichne ein Kraft-Weg-Diagramm.
3. Berechnung: Berechne die Spannenergie für drei verschiedene Auslenkungen derselben Feder.
4. Energieumwandlung: Baue ein sicheres Modell, das Spannenergie in Bewegungsenergie umwandelt, und beschreibe die Umwandlung.

Schwer

1. Vergleich von Federn: Untersuche zwei Federn mit verschiedenen Federkonstanten und vergleiche ihre gespeicherte Energie.
2. Fehleranalyse: Erkläre, warum Zentimeter vor dem Einsetzen in die Formel in Meter umgerechnet werden müssen.
3. Modellkritik: Prüfe, wann das Hookesche Gesetz bei einem Gummiband nicht gut passt.
4. Projektplanung: Plane ein kleines Fahrzeug mit Federantrieb. Begründe, wie Auslenkung und Federkonstante die Fahrt beeinflussen.

Lernkontrolle

1. Energievergleich: Zwei gleiche Federn werden um 5 cm und 10 cm gedehnt. Vergleiche die Spannenergien, ohne beide Werte vollständig auszurechnen, und begründe.
2. Federwahl: Für ein Modellauto stehen eine weiche und eine harte Feder bereit. Entscheide, welche bei gleicher Auslenkung mehr Energie speichert, und erkläre Deine Wahl.
3. Energieumwandlung: Beschreibe die Energiekette eines Spielzeugautos mit Federantrieb vom Spannen bis zum Stillstand.
4. Versuchsplanung: Entwickle einen Versuch, mit dem Du zeigen kannst, dass die Spannenergie vom Quadrat der Auslenkung abhängt.
5. Sicherheitsbewertung: Beurteile ein Experiment, bei dem ein stark gespanntes Gummiband auf ein Ziel geschossen werden soll. Nenne Risiken und eine sichere Alternative.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. Spannenergie in eigenen Worten erklären kannst.
2. die Größen $E_{\text{Spann}}$, $D$ und $s$ mit ihren Einheiten kennst.
3. die Formel $E_{\text{Spann}}=\frac{1}{2}D{s}^2$ richtig anwenden kannst.
4. Zentimeter sicher in Meter umrechnen kannst.
5. Energieumwandlungen bei einer Feder beschreiben und Versuche sicher planen kannst.

OERs zum Thema

LEIFIphysik: Spannenergie

LEIFIphysik: Interaktive Simulation zur Spannenergie

Links

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