Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Arbeit in der Physik - Physik

Einleitung

Im Alltag bedeutet „Arbeit“ oft eine Tätigkeit. In der Physik ist der Begriff genauer festgelegt: Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines Weges bewegt. Arbeit beschreibt dabei eine Übertragung oder Umwandlung von Energie.

Schiebst Du eine Kiste über den Boden, hebst Du einen Rucksack hoch oder spannst Du eine Feder, wird physikalische Arbeit verrichtet. Hältst Du dagegen einen Gegenstand nur fest, ohne dass er sich bewegt, ist die mechanische Arbeit am Gegenstand gleich null.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wann in der Physik Arbeit verrichtet wird. Du kannst die mechanische Arbeit berechnen, verschiedene Arbeitsformen unterscheiden und den Zusammenhang zwischen Arbeit, Energie und Leistung beschreiben.

Grundidee der mechanischen Arbeit

Für eine konstante Kraft, die in Bewegungsrichtung wirkt, gilt:

$W = F \cdot s$

Dabei bedeuten:

Größe	Bedeutung	Einheit
$W$	Arbeit	Joule mit dem Einheitenzeichen J
$F$	Kraft	Newton mit dem Einheitenzeichen N
$s$	zurückgelegter Weg	Meter mit dem Einheitenzeichen m

Ein Joule ist gleich einem Newtonmeter:

$1 J = 1 N \cdot 1 m$

Eine Arbeit von einem Joule wird verrichtet, wenn eine Kraft von einem Newton einen Körper einen Meter weit in Kraftrichtung bewegt.

Beispiel: Eine Kiste schieben

Eine Kiste wird mit einer konstanten Kraft von $50 N$ über eine Strecke von $3 m$ geschoben.

$W = F \cdot s$

$W = 50 N \cdot 3 m$

$W = 150 J$

An der Kiste wird eine Arbeit von 150 Joule verrichtet.

Wann wird keine mechanische Arbeit verrichtet?

Mechanische Arbeit ist null, wenn sich der Körper nicht bewegt. Sie ist ebenfalls null, wenn die Kraft genau senkrecht zum Weg wirkt.

Trägst Du einen Rucksack mit gleichbleibender Höhe waagerecht durch einen Raum, wirkt Deine Stützkraft nach oben, während der Weg waagerecht verläuft. Die mechanische Arbeit dieser Stützkraft am Rucksack ist deshalb null. Dein Körper benötigt trotzdem Energie, weil Muskeln auch beim Halten arbeiten.

Kraft und Weg bilden einen Winkel

Wirkt die Kraft nicht genau in Bewegungsrichtung, zählt nur der Anteil der Kraft, der parallel zum Weg wirkt. Allgemein gilt:

$W = F \cdot s \cdot \cos (α)$

$α$ ist der Winkel zwischen Kraft und Bewegungsrichtung.

Bei $α = 0^{\circ}$ wirkt die Kraft in Bewegungsrichtung. Die Arbeit ist positiv und maximal.
Bei $α = 9 0^{\circ}$ wirkt die Kraft senkrecht zum Weg. Die Arbeit ist null.
Bei $α = 18 0^{\circ}$ wirkt die Kraft entgegen der Bewegung. Die Arbeit ist negativ.

Beispiel mit schräger Kraft

Ein Schlitten wird mit $40 N$ über $5 m$ gezogen. Das Seil bildet mit dem Weg einen Winkel von $6 0^{\circ}$ .

$W = 40 N \cdot 5 m \cdot \cos (6 0^{\circ})$

Da $\cos (6 0^{\circ}) = 0,5$ gilt:

$W = 100 J$

Positive, negative und verschwindende Arbeit

Positive Arbeit erhöht häufig die Energie eines Körpers. Beim Beschleunigen eines Fahrrads wird zum Beispiel Bewegungsenergie aufgebaut.

Negative Arbeit verringert häufig die Energie eines Körpers. Beim Bremsen wirkt die Bremskraft entgegen der Bewegungsrichtung.

Verschwindende Arbeit liegt vor, wenn Kraft und Weg senkrecht zueinander stehen oder keine Bewegung stattfindet.

Beim springenden Ball werden fortlaufend Lageenergie, Bewegungsenergie und kurzzeitig elastische Energie ineinander umgewandelt. Durch Luftwiderstand und Verformung wird außerdem ein Teil der mechanischen Energie in innere Energie umgewandelt.

Formen mechanischer Arbeit

Hubarbeit

Beim Anheben eines Körpers wird Arbeit gegen seine Gewichtskraft verrichtet. Die Hubarbeit lautet:

$W_{H} = F_{G} \cdot h$

Mit $F_{G} = m \cdot g$ folgt:

$W_{H} = m \cdot g \cdot h$

Dabei ist $m$ die Masse, $g$ die Fallbeschleunigung und $h$ die Höhe.

Eine Masse von $5 k g$ wird $2 m$ angehoben. Mit $g \approx 9,81 m / s^{2}$ gilt:

$W_{H} = 5 k g \cdot 9,81 m / s^{2} \cdot 2 m$

$W_{H} = 98,1 J$

Mit der Schulnäherung $g \approx 10 m / s^{2}$ erhältst Du ungefähr $100 J$ .

Beschleunigungsarbeit

Wird ein Körper schneller, nimmt seine Bewegungsenergie zu. Die verrichtete Beschleunigungsarbeit entspricht der Änderung der kinetischen Energie:

$W_{B} = Δ E_{k i n}$

$W_{B} = \frac{1}{2} m v_{2}^{2} - \frac{1}{2} m v_{1}^{2}$

Startet der Körper aus der Ruhe, gilt:

$W_{B} = \frac{1}{2} m v^{2}$

Spannarbeit

Beim Dehnen oder Zusammendrücken einer Feder wird Spannarbeit verrichtet. Für eine ideale Feder gilt:

$W_{S p} = \frac{1}{2} D s^{2}$

$D$ ist die Federkonstante und $s$ die Verformung. Die verrichtete Arbeit wird als elastische Energie gespeichert.

Reibungsarbeit

Wird ein Gegenstand über eine raue Fläche gezogen, muss die Reibung überwunden werden. Bei konstanter Reibungskraft gilt für die aufgewendete Arbeit:

$W_{R} = F_{R} \cdot s$

Die Reibungskraft selbst verrichtet am bewegten Körper negative Arbeit:

$W_{R e i b u n g} = - F_{R} \cdot s$

Dabei wird mechanische Energie meist in innere Energie umgewandelt. Die beteiligten Oberflächen können sich erwärmen.

Arbeit und Energie

Arbeit und Energie besitzen dieselbe Einheit, das Joule. Wird an einem Körper Arbeit verrichtet, ändert sich seine Energie. Für die gesamte Arbeit aller wirkenden Kräfte gilt der Arbeit-Energie-Zusammenhang:

$W_{g e s} = Δ E_{k i n}$

Bei einer Hubarbeit wird Energie als Lageenergie gespeichert:

$E_{p o t} = m \cdot g \cdot h$

Beim Fallen kann diese Lageenergie wieder in Bewegungsenergie umgewandelt werden.

Auch technische Energiespeicher können Arbeit nutzen, um Massen anzuheben. Beim späteren Absenken kann die gespeicherte Lageenergie wieder umgewandelt werden.

Arbeit und Leistung

Die Arbeit allein sagt nicht, wie schnell sie verrichtet wird. Dafür verwendet man die Leistung:

$P = \frac{W}{t}$

Die Einheit der Leistung ist das Watt:

$1 W = 1 J / s$

Zwei Personen können dieselbe Hubarbeit verrichten. Wer die Last in kürzerer Zeit anhebt, erbringt die größere Leistung.

Einfache Maschinen und die Goldene Regel

Einfache Maschinen wie Hebel, Rollen und schiefe Ebenen können die benötigte Kraft verringern oder ihre Richtung verändern. Im idealen Fall sparen sie jedoch keine Arbeit.

Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen.

Für eine ideale Maschine gilt:

$W_{z u} = W_{a b}$

Schiefe Ebene

Auf einer längeren Rampe ist zum Anheben einer Last eine kleinere Kraft nötig als beim senkrechten Hochheben. Dafür wird die Kraft über einen längeren Weg ausgeübt.

Ohne Reibung ist die Arbeit auf beiden Wegen gleich. Mit Reibung muss zusätzliche Arbeit verrichtet werden.

Rolle und Flaschenzug

Eine feste Rolle ändert vor allem die Richtung der Kraft. Bewegliche Rollen und Flaschenzüge können die notwendige Zugkraft verkleinern. Dafür muss ein längeres Seilstück gezogen werden.

In realen Maschinen treten Reibung und Verformung auf. Deshalb ist die abgegebene Nutzarbeit kleiner als die zugeführte Arbeit.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Arbeit als Nutzarbeit verfügbar ist:

$η = \frac{W_{n u t z}}{W_{z u}}$

Häufig wird der Wirkungsgrad in Prozent angegeben:

$η_{%} = \frac{W_{n u t z}}{W_{z u}} \cdot 100 %$

Da bei realen Vorgängen Energie unter anderem durch Reibung in innere Energie umgewandelt wird, liegt der Wirkungsgrad realer Maschinen unter 100 Prozent.

Historischer Bezug: James Prescott Joule

Die Einheit Joule ist nach dem britischen Physiker James Prescott Joule benannt. Seine Experimente zeigten, dass mechanische Arbeit und Wärme quantitativ zusammenhängen. Dadurch wurde die Vorstellung gestärkt, dass Energie nicht verschwindet, sondern umgewandelt wird.

Bei Joules Versuch setzten sinkende Gewichte ein Rührwerk in Bewegung. Das Rühren erwärmte eine Flüssigkeit. So ließ sich mechanische Arbeit mit einer Änderung der inneren Energie verbinden.

Typische Fehler

Arbeit ohne Weg: Eine große Kraft allein bedeutet noch keine mechanische Arbeit. Es muss eine Verschiebung stattfinden.
Falsche Kraftrichtung: Bei einer schrägen Kraft darf nur die Kraftkomponente in Bewegungsrichtung berücksichtigt werden.
Einheit: Das Ergebnis einer Arbeitsberechnung wird in Joule und nicht in Newton angegeben.
Arbeit und Leistung: Arbeit beschreibt eine Energiemenge, Leistung beschreibt Arbeit pro Zeit.
Reibung: Reibung kann die mechanische Energie verringern, die Gesamtenergie bleibt jedoch erhalten.

Zusammenfassung

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines Weges bewegt. Bei paralleler Kraft und Bewegung gilt $W = F \cdot s$ . Die Einheit ist Joule. Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Spannarbeit und Reibungsarbeit beschreiben verschiedene Formen der Energieübertragung. Arbeit und Energie sind eng verbunden. Die Leistung gibt an, wie schnell Arbeit verrichtet wird. Einfache Maschinen können Kraft sparen, aber im idealen Fall keine Arbeit.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wann wird an einem Körper mechanische Arbeit verrichtet? (Wenn eine Kraft den Körper entlang eines Weges bewegt) (!Wenn der Körper nur betrachtet wird) (!Wenn eine Kraft ohne Bewegung wirkt) (!Wenn keine Kraft vorhanden ist)

Welche Formel gilt bei einer konstanten Kraft in Bewegungsrichtung? (W gleich F mal s) (!W gleich F durch s) (!W gleich s durch F) (!W gleich F plus s)

Welche Einheit besitzt die mechanische Arbeit? (Joule) (!Newton) (!Meter) (!Watt)

Welche Arbeit wird bei 20 Newton Kraft und 4 Meter Weg verrichtet? (80 Joule) (!5 Joule) (!24 Joule) (!80 Newton)

Wie groß ist die Arbeit einer Kraft, die senkrecht zum Weg wirkt? (Null) (!Maximal) (!Immer negativ) (!Unendlich groß)

Wovon hängt die Hubarbeit ab? (Von Masse Fallbeschleunigung und Höhe) (!Nur von der Zeit) (!Nur von der Geschwindigkeit) (!Nur von der Temperatur)

Was entspricht einem Joule? (Ein Newtonmeter) (!Ein Newton pro Meter) (!Ein Meter pro Sekunde) (!Ein Kilogramm pro Sekunde)

Wann ist die Arbeit einer Kraft negativ? (Wenn die Kraft entgegen der Bewegung wirkt) (!Wenn die Kraft in Bewegungsrichtung wirkt) (!Wenn der Körper schneller wird) (!Wenn Kraft und Weg parallel sind)

Was gilt für eine ideale einfache Maschine? (Sie spart Kraft auf Kosten eines längeren Weges) (!Sie erzeugt zusätzliche Energie) (!Sie spart immer Kraft und Weg) (!Sie verrichtet keine Arbeit)

Welche Aussage verbindet Arbeit und Energie richtig? (Arbeit kann die Energie eines Körpers verändern) (!Arbeit und Energie haben verschiedene Einheiten) (!Energie entsteht aus dem Nichts) (!Arbeit ist immer gleich Leistung)

Memory

Mechanische Arbeit	Energieübertragung durch Kraft entlang eines Weges
Joule	Einheit der Arbeit
Hubarbeit	Anheben eines Körpers
Beschleunigungsarbeit	Änderung der Bewegungsenergie
Spannarbeit	Verformen einer Feder
Reibungsarbeit	Überwinden einer Reibungskraft
Leistung	Arbeit pro Zeit
Nullarbeit	Kraft senkrecht zum Weg

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beispiel
Hubarbeit	Eine Kiste auf ein Regal heben
Beschleunigungsarbeit	Ein Fahrrad schneller machen
Spannarbeit	Eine Feder zusammendrücken
Reibungsarbeit	Einen Schlitten über rauen Boden ziehen
Nullarbeit	Einen Rucksack waagerecht in gleicher Höhe tragen

Kreuzworträtsel

Joule	Wie heißt die Einheit der mechanischen Arbeit?
Kraft	Welche physikalische Größe wird mit dem Weg multipliziert?
Hubarbeit	Welche Arbeit wird beim Anheben eines Körpers verrichtet?
Reibung	Welche Wirkung wandelt mechanische Energie häufig in innere Energie um?
Leistung	Welche Größe beschreibt Arbeit pro Zeit?
Wegstrecke	Welche Größe muss neben der Kraft bekannt sein?

LearningApps

Lückentext

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines

bewegt.

Bei paralleler Kraft und Bewegung gilt die Formel

.

Die Einheit der mechanischen Arbeit heißt

.

Ein Joule entspricht einem

.

Beim Anheben eines Körpers wird

verrichtet.

Beim Beschleunigen eines Körpers nimmt seine

zu.

Wirkt eine Kraft senkrecht zum Weg, ist die Arbeit

.

Eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung verrichtet

Arbeit.

Die Leistung gibt die Arbeit pro

an.

Eine ideale einfache Maschine spart Kraft auf Kosten eines längeren

.

Offene Aufgaben

Leicht

Arbeit im Alltag: Fotografiere oder zeichne vier Alltagssituationen und entscheide jeweils, ob mechanische Arbeit verrichtet wird.
Kraft und Weg: Erstelle eine beschriftete Skizze, in der Kraftpfeil und Bewegungsweg parallel verlaufen.
Einheitenkarte: Gestalte eine Lernkarte mit Formelzeichen, Einheit und Bedeutung der mechanischen Arbeit.
Gegenbeispiel: Beschreibe zwei Situationen, in denen eine Person sich anstrengt, aber am betrachteten Gegenstand keine mechanische Arbeit verrichtet wird.

Standard

Treppenexperiment: Bestimme Deine Masse und die Höhe einer Treppe. Berechne die Hubarbeit beim Hinaufsteigen.
Rampenvergleich: Ziehe denselben Gegenstand einmal direkt nach oben und einmal über eine Rampe. Vergleiche Kraft und Weg.
Leistungsmessung: Miss die Zeit für das Hinaufsteigen einer Treppe und berechne Deine mittlere Leistung.
Lernvideo: Produziere ein höchstens dreiminütiges Video, in dem Du die Formel der mechanischen Arbeit an einem Beispiel erklärst.

Schwer

Diagrammuntersuchung: Miss bei einem Gummiband die Zugkraft für mehrere Dehnungen. Zeichne ein Kraft-Weg-Diagramm und deute die Fläche unter dem Graphen.
Maschinenvergleich: Untersuche eine reale Rolle oder Rampe und vergleiche zugeführte Arbeit und Nutzarbeit.
Energiekette: Entwickle eine ausführliche Energiekette für einen springenden Ball und erkläre alle Arbeitsvorgänge.
Lernstation: Entwirf eine Lernstation mit Experiment, Arbeitsblatt, Musterlösung und Sicherheitsregeln zum Thema mechanische Arbeit.

Lernkontrolle

Begründen: Eine Person hält eine schwere Tasche ruhig in der Hand. Erkläre den Unterschied zwischen körperlicher Anstrengung und mechanischer Arbeit am Gegenstand.
Vergleichen: Zwei Rampen führen auf dieselbe Höhe. Eine Rampe ist doppelt so lang wie die andere. Vergleiche im idealen Fall Kraft, Weg und Arbeit.
Analysieren: Ein Schlitten wird mit einem schrägen Seil gezogen. Erkläre, warum nicht die gesamte Zugkraft zur Arbeit in Bewegungsrichtung beiträgt.
Bewerten: Ein Ball erreicht nach jedem Aufprall eine kleinere Höhe. Erkläre, warum dies nicht dem Energieerhaltungssatz widerspricht.
Anwenden: Zwei Personen verrichten dieselbe Hubarbeit in unterschiedlich langer Zeit. Entscheide, wer die größere Leistung erbringt, und begründe.
Planen: Entwickle einen Messplan, mit dem der Wirkungsgrad einer einfachen Maschine bestimmt werden kann.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

die physikalische Bedeutung der mechanischen Arbeit erklären kannst,
Kraft, Weg und Arbeit mit den richtigen Einheiten verwendest,
die Formel $W = F \cdot s$ sicher anwenden und umstellen kannst,
Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Spannarbeit und Reibungsarbeit unterscheiden kannst,
positive, negative und verschwindende Arbeit begründen kannst,
den Zusammenhang zwischen Arbeit, Energie und Leistung erklären kannst,
Messwerte aus einem Experiment auswerten kannst,
die Goldene Regel der Mechanik auf einfache Maschinen übertragen kannst.

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Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
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Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
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Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
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Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.