1. Physikschulaufgabe

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1 Klasse 8 1. Kräfte a) Formuliere den Newtonschen Trägheitssatz. b) Welche Angaben braucht man um eine wirkende Kraft genau festzulegen?. Pendel Der Pendelkörper eines Fadenpendels wird zur Zeit t = 0s im rechten Umkehrpunkt losgelassen. Nach 40,0 s hat er 0 Perioden vollbracht. a) Wo befand sich das Pendel zu folgenden Zeiten: 1s; 1,5s; 0,5s? b) Wie lang ist das Pendel ungefähr? c) Wie groß ist seine Frequenz? d) Erkläre: Warum ist die Periodendauer eines Pendels unabhängig von ihrer Amplitude? 3. Schallausbreitung a) Beschreibe die Schallübertragung durch die Luft mit Hilfe eines Modellversuchs. b) Bei einem Weltraumspaziergang reißt zwischen zwei Astronauten die Funkverbindung ab. Obwohl der eine Astronaut aus Leibeskräften schreit, hört ihn sein Kamerad nicht. Der erfahrenere Astronaut hält seinen in Panik geratenden jungen Kollegen fest und presst seinen Helm an den des Kollegen. Plötzlich kann der jüngere den älteren leise hören. Erkläre die beiden Phänomene! 4. Geschwindigkeit Ein Auto fährt in einer verkehrsberuhigten Zone mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h. Plötzlich rollt ein Ball über die Straße. Der Fahrer reagiert sehr langsam und braucht 1,5s bis er endlich zu bremsen beginnt. a) Wie viele Meter hat er in dieser Schrecksekunde zurückgelegt? b) Der Bremsweg beträgt noch zusätzliche 5 m. Wie viel Zeit ist vom Auftauchen des Balls bis zum Stillstand des Autos vergangen? 5. Elektrischer Strom Um die Funktionsweise eines geschlossenes Stromkreises zu veranschaulichen, verwendet man das Analogiemodell eines fließenden Wasserkreislaufes. a) Benenne vier wesentliche Analogien. b) Warum ist dieses Modell nur begrenzt zutreffend? GP_A005 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L005)

2 Klasse 8 1. Elektrische Schaltungen Betrachte die Skizze Nr. 1 auf Blatt : a) Welche Lampen leuchten, wenn nur die Schalter S und S 3 geschlossen sind? b) Welche Lampen leuchten, wenn nur die Schalter S 1 und S 4 geschlossen sind? c) Welche Schalter müssen geschlossen sein, damit nur die Lampen L und L 3 leuchten?. Schwingungsvorgänge Bei einem Pendel hat man für 0 volle Schwingungen eine Zeit von 8 s gemessen. a) Berechne die Periodendauer und die Frequenz des Pendels! b) Ermittle aus dem l - T - Diagramm (Skizze Nr. auf Blatt ) die Länge des Pendels! c) Wo ist das schwingende Massestück nach,1 s, wenn es beim Start vom linken Umkehrpunkt losgelassen wurde? Begründung in Worten genügt! 3. Geschwindigkeit Ein Radfahrer fährt in 4,5 Stunden 100 km weit. Ein Autofahrer möchte zur gleichen Zeit mit ihm am Ziel ankommen, muss aber einen Umweg von 75 km machen. Wie viele Minuten muss er nach dem Radfahrer starten, wenn er mit einer mittleren Geschwindigkeit von 70 km/h fahren kann? 4. Kräfte a) Von welchen drei Größen hängt die Wirkung einer Kraft ab? b) Bernd und Andreas ziehen ihre Schwester Gerda auf einem Schlitten (Skizze Nr. 3 auf Blatt ). Dafür benötigen sie jeweils die Kraft von ca. 7 N (10 N 1cm). Übertrage die Kraftpfeile auf das Schulaufgabenblatt und bestimme die Kraft, mit der Gerda s Vater alleine anziehen müsste. Wie viel Newton müsste er dabei aufwenden? Blatt beachten! GP_A0053 **** Lösungen 1 Seite (GP_L0053) 1 ()

3 Klasse 8 Skizze Nr. 1 zu Aufgabe 1 Skizze Nr. zu Aufgabe Skizze Nr. 3 zu Aufgabe 4 GP_A0053 **** Lösungen 1 Seite (GP_L0053) ()

4 Klasse 8 1. Elektrischer Stromkreis Welche Schalter muss man schließen, wenn a) nur L 4 leuchten soll? b) nur L 1 leuchten soll? c) nur L und L 3 leuchten sollen? d) ein Kurzschluss entstehen soll? Hinweis: Der elektrische Widerstand jeder Lampe ist als sehr hoch anzunehmen. Das heißt, wenn z.b. S geschlossen ist, fließt kein Strom über L 1 sondern nur noch über S, und L 1 leuchtet nicht.. Elektrische Klingel Die leidenschaftliche Bastlerin Anna Bolte wollte eine Klingel bauen. In der Skizze rechts siehst du Annas Schaltplan. Leider funktioniert die Klingel nicht. Erläutere kurz, welche Fehler in Annas Klingelschaltung enthalten sind und verbessere sie. 3. Optik (Abbildung mit einer Sammellinse) Eine Sammellinse hat die Brennweite 3 cm. Ein cm hoher Gegenstand steht 5 cm von der Linse entfernt (Gegenstandsweite). Ermittle a) durch Zeichnung b) durch Rechnung die Bildweite und die Höhe des Bildes. 4. Kräfte a) Wie lautet der Trägheitssatz von Newton? b) Erläutere, warum du in einem Bus plötzlich nach hinten fällst, wenn der Bus mit Vollgas losfährt und du dich nicht festhältst. Blatt beachten! GP_A0054 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0054) 1 ()

5 Klasse 8 5. Geschwindigkeit Hier siehst du einen unvollständigen Auszug aus dem Kursbuch der Deutschen Bahn auf der Strecke München Mühldorf. Dargestellt sind die Fahrzeiten einer Regionalbahn zwischen Dorfen und Mühldorf. km an ab Dorfen 57 15:34 Schwindegg 15:40 Weidenbach 7 15:46 Ampfing 77 16:01 Mühldorf 85 16:08 a) Berechne die Durchschnittsgeschwindigkeit der Bahn zwischen Dorfen und Mühldorf in km/h. b) Zwischen Dorfen und Ampfing fährt die Bahn mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 71 km/h. Wann kommt die Bahn in Ampfing an? c) Die Entfernungsangabe von Schwindegg fehlt. Welche Kilometerangabe müsste bei Schwindegg stehen, wenn die Bahn zwischen Schwindegg und Mühldorf mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 45 km/h fährt? GP_A0054 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0054) ()

6 Diese sehr anspruchsvolle Schulaufgabe dürfte fast jeden Schüler überfordern. Sie wurde aber genau so im Jahre 006 gestellt. Gymnasium Klasse 8 1. Mit einem Flaschenzug (Wirkungsgrad 85%) soll eine Last von 8,6 kg,85 m hoch gehoben werden. a) Die gezogene Seillänge beträgt 11,4 m. Mit welcher Kraft muss man am Seil ziehen? b) Warum ist der Wirkungsgrad kleiner als 100%? Skizziere den Flaschenzug!. Während Claudia mit der konstanten Geschwindigkeit 15 km/h auf ihrem Rad fährt, muss sie eine Widerstandskraft von 4,8 N überwinden. a) Welche Leistung erbringt Claudia? Welche Arbeit verrichtet sie in 0 min? b) Die Widerstandskraft steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit an. Welche Leistung müsste Claudia bei 30 km/h erbringen? c) Mit welcher Kraft muss sie bei 30 km/h bremsen, damit sie nach 15 m steht? (Masse 65 kg) 3. Bei einem Schussapparat verwendet man eine Feder der Härte D= 0,90N/cm, die mit der Kraft F um die Strecke s zusammengedrückt wird. a) Zeichne ein s - F - Diagramm und ein s - E sp -Diagramm! (E sp = Spannenergie) b) Um welche Strecke s muss die Feder zusammengedrückt werden, damit eine Kugel der Masse 10 g eine Höhe von 1,70 m erreicht? (ohne Reibung!) GP_A0055 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0055) 1 (1)

7 Klasse 8 1. Optik Du bekommst eine Sammellinse mit dem Hinweis, die Brennweite beträgt 0 cm. a) Wie kannst du diesen Hinweis überprüfen? b) In welchem Abstand von der Linse stellst du eine brennende Kerze und eine Mattscheibe auf, wenn du auf der Mattscheibe das Bild der Kerzenflamme in Originalgröße erhalten willst?. Elektrische Schaltung Gib für die skizzierte Schaltung jeweils an, ob die Lampen leuchten (1) oder nicht leuchten (0) oder ob ggf. ein Kurzschluss ( ) vorliegt. Fall A Fall B Fall C S 1 zu zu zu S zu auf auf S 3 zu zu auf S 4 zu zu zu L 1 L zu = Schalter geschlossen; auf = Schalter geöffnet 3. Magnetismus An Schnüren hängen Metallplättchen. Von unten nähert sich ein Magnet. Was passiert jeweils im Fall a) und b)? Begründung mit Hilfe der Skizze! a) b) Blatt beachten! GP_A0056 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0056) 1 ()

8 Klasse 8 4. Magnetismus Auf dem Tisch liegen ein Magnet, ein Weicheisenkern und eine drehbar gelagerte Magnetnadel (s. Skizze). Bezeichne die Pole und beschreibe genau was passiert. 5. Pendel Ein Fadenpendel schwingt mit 4 Hz. Es wird zur Zeit t = 0 s im rechten Umkehrpunkt losgelassen. a) Berechne die Periodendauer des Pendels! b) Wie oft schwingt das Pendel in 1 Minute durch die Ruhelage? c) Wo befindet sich das Pendel nach 1 s, 0,5 s, 0,5 s und 0,15 s? d) Nun wird die Pendelbewegung durch eine Kamera gefilmt, die 4 Bilder pro Sekunde aufnimmt. Was ist auf dem Film zu sehen? (Begründung!) 6. Geschwindigkeit Die Schallgeschwindigkeit beträgt v = 330m/s. Flugdrache Godzilla sendet ein Schallsignal aus; dieses wird an einem Hindernis (Wolkenkratzer) reflektiert und trifft 0 s nach dem Aussendezeitpunkt wieder bei ihm ein. In dem Moment, in dem das Signal wieder bei Godzilla eintrifft, ist er nur noch halb so weit vom Hindernis entfernt wie zur Zeit der Signalaussendung. Wie viel km war Godzilla zur Zeit der Signalaussendung vom Hindernis entfernt? Wie hoch ist seine Fluggeschwindigkeit? GP_A0056 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0056) ()

9 Klasse 8 1. Skizziere eine Schaltung aus einer Batterie und drei Glühlampen, von denen jede für sich ein- bzw. ausgeschaltet werden soll.. Eine Lampe in einem Zimmer eines Puppenhauses soll von jedem der beiden Eingänge ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Zeichne die dazu notwendige, beschriftete Schaltung! 3. Zeichne eine Glühbirne ohne Fassung und beschrifte die Bauteile! Nenne Unterschiede (Vorteile, Nachteile) zwischen einer Glühbirne und einer Energiesparlampe. 4. a) Was ist ein Elektromagnet? b) Nenne seine Vorteile und vier Anwendungsmöglichkeiten! 5. Hängt man zwei lange dünne Nägel mit den Spitzen nach oben an einen Pol eines Stabmagneten, so streben die Nägelköpfe auseinander. a) Erkläre diese Erscheinung! b) Wie verhalten sich die Nägelköpfe, wenn man die Spitzen an je einen Pol eines Hufeisenmagneten hängt? Begründung! GP_A0057 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0057) 1 (1)

10 Klasse 8 1. Lochkamera Bei einer Lochkamera beträgt die Bildweite b= 4cm und die Bildgröße ist aufgrund des Films auf B= 3,cm begrenzt (siehe Skizze unten). a) Ermittle durch Zeichnung, wie groß ein Gegenstand höchstens sein darf, wenn er 10 cm vor der Kamera steht und vollständig abgebildet werden soll. b) Welche Rolle spielt der Lochdurchmesser bei der Kamera (Je desto Satz!)? g c) Ermittle anhand der Formel G =, in welcher Entfernung man mit unserer Kamera B b den Eiffelturm (Höhe 300 m) aufnehmen muss, um ihn vollständig auf den Film zu bannen.. Magnetfeld Erläutere anhand einer Skizze, wie H. Ch. Oersted 180 die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nachgewiesen hat! Blatt und 3 beachten! GP_A0058 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0058) 1 (3)

11 Klasse 8 3. Elektrische Schaltung a) L 1 und L sollen leuchten. Gib verschiedene Möglichkeiten an, welche Schalter dazu in nebenstehendem Schaltkreis geschlossen werden können! Gib jeweils an, ob L 1 weiter leuchtet, wenn L durchbrennt! b) Was kann passieren, wenn S 1 und zugleich S geschlossen werden? 4. Im Stadion Sportlehrer Horst L. braucht aufgrund seiner unüberhörbaren Stimme für den 100 m- Lauf weder Startklappe noch Handsignal. Er steht im Zieleinlauf, brüllt Auf die Plätze, fertig, los und schon läuft Hans los. Gerd steht ebenfalls am Zielpunkt, hört das Startsignal und nimmt (korrekt) die Zeit. Im Zieleinlauf wird die Zeit von Hans mit 14,7 s angegeben. a) Hans hat in Physik aufgepasst und beschwert sich zurecht über die Art der Zeitnehmung! Wie argumentiert er? b) Berechne die tatsächliche Laufzeit von Hans. 5. Eisenbahn Mit Hilfe des Computers wurde für die Lok einer Modelleisenbahn ein t - s - Diagramm aufgezeichnet. Der Verlauf ist in untenstehendem Diagramm wiedergegeben. Wir betrachten die Zeitintervalle Z 1 von 0 bis 6 Sekunden und Z von 6 bis 1,5 Sekunden. a) Bestimme für die Zeitintervalle Z 1 und Z jeweils die mittlere Geschwindigkeit v 1 bzw. v. b) Welche Momentangeschwindigkeit hatte der Zug nach 8 Sekunden? c) Ein zweiter Zug startet gleichzeitig, fährt jedoch mit konstanter Geschwindigkeit. Nach 10 Sekunden wird er vom ersten Zug überholt! Zeichne seinen Bewegungsvorgang in das t - s - Diagramm ein und bestimme die Geschwindigkeit des zweiten Zuges! GP_A0058 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0058) (3)

12 Klasse 8 GP_A0058 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0058) 3 (3)

13 Es darf mit g = 10 m gerechnet werden. Arbeitszeit: 1 Stunde s 1. Herr B. will eine Kiste der Masse m = 140 kg eine Strecke der Länge s = 4,0 m waagerecht am Boden entlang ziehen. µ R = 0,0 und µ H = 0,60 a) Er kann mit bloßer Hand eine Kraft von 800 N aufbringen. Warum reicht das nicht? b) Er installiert eine Seilwinde (Skizze), bei der die Seiltrommel einen Durchmesser von 0 cm hat und der Kurbelgriff 30 cm von der Achse entfernt ist. Mit welcher Kraft kann er nun an der Kiste ziehen? c) Er zieht die Kiste dann nicht mehr mit voller Anstrengung sondern nur noch mit der gerade nötigen Kraft zu sich heran. Wie viel Arbeit hat er am Ende verrichtet? d) In welcher Zeit schafft er das, wenn er dabei eine Leistung von 10 W erbringt?. a) Welche Bedingungen werden bei der Berechnung der Arbeit an die wirkende Kraft und den zurückgelegten Weg gestellt? b) Beschreibe drei verschiedene Arten von Arbeit! Wie werden sie berechnet und was bedeuten die dabei auftretenden Größen? c) Zwei Körper ( m1 = 6,0 kg, m = 5,0 kg ) werden zusammen um h = 0 m hochgehoben. Berechne die verrichtete Hubarbeit! Welche Masse m 3 muss ein dritter Körper, der mit den anderen beiden zusammen hochgehoben wird, haben, damit man eine Arbeit von 5,0 kj verrichtet? 3. Beschreibe die Energieumwandlungen bei einem Gummiball, der aus der Höhe h fallengelassen wird, am Boden elastisch aufspringt und wieder nach oben fliegt. Warum springt der Ball nicht mehr bis in die Ausgangshöhe h zurück? 4. Ein Kleinwagen hat eine Masse von 1, t und erreicht bei der maximalen Motorleistung von 35,0 kw eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h. a) Fährt man mit Vollgas, so beschleunigt das Auto zunächst, kann jedoch die Höchstgeschwindigkeit nicht überschreiten. Erkläre dies physikalisch exakt. b) Berechne den Betrag der Gesamt-Reibungskraft, die auf das Auto wirkt, wenn mit der angegebenen Höchstgeschwindigkeit gefahren wird. c) Während das Auto mit Höchstgeschwindigkeit fährt, wird der Gang herausgenommen, so dass das Auto dann ohne Antriebskraft weiter rollt. Es werde außerdem vereinfachend angenommen, dass von diesem Zeitpunkt an bis zum vollständigen Stillstand des Autos eine konstante Reibungskraft von 4 kn wirkt. Berechne, nach welcher Strecke das Auto zum Stehen kommt. GP_A0074 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0074) 1 (1)

14 1. Ein Quader ( m1 800g) wird mit konstanter Geschwindigkeit über ein horizontales Brett gezogen 0,80; 0,50. H R a) Welche Zugkraft ist dazu nötig? b) Mit welcher mittleren Geschwindigkeit wird der Quader gezogen, wenn an diesem die Leistung 75 W erbracht wird? Führe auch eine Einheitenkontrolle durch! c) Nun wird auf dem Quader ein zweiter Quader befestigt. Welche Masse m hat der zweite Quader, wenn eine Kraft F 1 11N nötig ist, um beide Quader zusammen in Bewegung zu setzen? Macht es dabei einen Unterschied, ob der zweite Quader auf, unter oder hinter dem ersten Quader befestigt wird? Begründe kurz!. Eine Holzkiste ( F G 6000 N ) wird vom Boden aus auf einer Holzrampe (s. Abb. unten) mit konstanter Geschwindigkeit nach oben gezogen, bis die Höhe h erreicht ist. Dabei können folgende Größen durch Messung bestimmt werden: s 7,m, Normalkraft F N 5196 N, Hangabtriebskraft F H 3000 N. a) Berechne die Gesamtarbeit, die an der Kiste bei dem Vorgang verricht wird (beachte Tabelle 1). b) David meint: Wenn ich die Höhe h wüsste, könnte ich auch auf andere Art rechnen. Erkläre und begründe, was er damit meint! c) Nenne ein Beispiel, bei dem Spannarbeit verrichtet wird. Warum kann der Betrag der Spannarbeit nicht mit der Formel W F s berechnet werden? Spann Stoffpaar H R Stahl Stahl 0,0 0,060 Holz Holz 0,60 0,40 Metall Holz 0,60 0,30 Metall Metall 0,30 0,070 Tabelle 1 GP_A0075 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0075) 1 ()

15 Hinweis: Bei den folgenden Aufgaben soll auftretende Reibung vernachlässigt werden! 3. Eine Feder mit vernachlässigbarer Masse wird durch eine Kraft von 40 N um 8,0 cm zusammengedrückt. a) Begründe rechnerisch, dass dabei eine Spannarbeit von 1,6 J an der Feder verrichtet wird. Nun wird auf die gespannte Feder eine Metallkugel (Masse 45 g) gelegt, die beim Entspannen senkrecht nach oben geschossen wird. b) Erläutere die Energieumwandlungen und die dabei auftretenden Formen der Arbeit vom Spannen der Feder bis zum höchsten Punkt. c) Berechne die Höhe (ab Oberkante entspannte Feder), die die Kugel erreicht. d) Mit welcher Geschwindigkeit in km / h verlässt die Kugel die Feder? Führe auch die Einheitenkontrolle durch! 4. Ein Achterbahnwagen der Masse 350 kg durchläuft die skizzierte Bahn von 1 über nach 3. Die Geschwindigkeit in 1 beträgt v1 10km/h. a) Die Höhe in beträgt h 48m. Berechne die kinetische Energie des Wagens in. b) Die Höhe in 3 beträgt h3 4m. Kreuze richtige Aussagen an: In 3 gilt: Epot 3 1 Epot Ekin 3 Ekin 1 Ekin 3 Ekin Ekin 3 Ekin 1 E 3 E kin kin GP_A0075 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0075) ()

16 1. Frank zieht einen beladenen Schlitten (Masse 150 kg) horizontal mit konstanter Geschwindigkeit 10 m weit. Dabei wird eine Arbeit von 9,0 kj verrichtet. a) Zeige durch Rechnung, dass bei diesem Vorgang eine Reibungskraft von 75 N zwischen Schlitten und Untergrund wirkt und bestätige damit, dass R 0,051 ist. b) Karl zieht denselben Schlitten nun mit der konstanten Kraft 85 N über eine horizontale Strecke von 90 m. Dieser Vorgang dauert 1,5 min. Begründe, warum der Schlitten dabei an Geschwindigkeit gewinnt. Wie groß ist Karls Leistung?. Eine Feder wird mit der Kraft 7,44 N um 1 cm zusammengedrückt. a) Berechne die dazu nötige Arbeit. b) Auf die gespannte Feder wird eine Kugel der Masse 8,0 g gelegt. Beim Entspannen der Feder wird die Kugel senkrecht nach oben geschossen und erreicht eine Höhe von 5,0 m. Berechne, wie viel Energie dabei durch Reibung verloren gegangen ist. 3. Hinweis: Reibung darf bei dieser Aufgabe vernachlässigt werden. Elf würfelförmige Ziegelsteine der Kantenlänge 30 cm liegen auf dem Boden und sollen zu der abgebildeten Treppe aufgeschichtet werden. Jeder Ziegelstein hat die Masse 4,5 kg. a) Welche Hubarbeit ist zum Aufschichten der Treppe erforderlich? b) Durch eine Unachtsamkeit stürzt nach Beendigung der Arbeit der oberste Stein herab. Welche Energieumwandlung findet dabei statt? Mit welcher Geschwindigkeit schlägt der Ziegel am Boden auf? 4. Nimm zu folgender Aussage kurz Stellung: Der Wirkungsgrad des Flaschenzugs beträgt 1,1. 5. Ein Skiläufer durchfährt eine Mulde. Auf dem flach abfallenden Hang verliert er h 1m an Höhe, auf dem ebenfalls flach ansteigenden Hang gewinnt er wieder 1 h 8m an Höhe. Zu Beginn seiner Fahrt hat er die Geschwindigkeit Null, am Ende seiner Fahrt 3,5 m / s. Der Weg durch die Mulde hat die Länge s 130m, die Masse des Läufers beträgt m 80kg. a) Erstelle eine Skizze, die den Sachverhalt verdeutlicht. b) Wie groß ist die mittlere Kraft F, mit der er während seiner Fahrt gebremst wurde? GP_A0076 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0076) 1 (1)

17 Bearbeitungszeit: 60 min 1. a) Energie kann in verschiedenen Formen in unserem Alltag auftreten. Nenne alle dir bekannten Energieformen und gib für die mechanischen Energieformen je ein Beispiel aus dem Alltag an. b) In den Medien (Nachrichten, Zeitungen usw.) wird immer wieder der Begriff Energieverbrauch verwendet. Erkläre kurz, warum dieser Begriff unter physikalischen Aspekten falsch ist und was damit eigentlich gemeint ist.. Eine Holzkugel ( m 110 g) = ist in einer Kiste, die auf dem Boden steht, eingesperrt. Dazu wurde die Feder um eine Strecke s = 10 cm zusammengedrückt. Die Federhärte der Sprungfeder beträgt D = 300 N / m. Jegliche Form von Reibung und andere störende Einflüsse können für die folgenden Betrachtungen vernachlässigt werden. a) Der (angeblich) alles wissende Felix sagt zu einem Mitschüler: Die in der Kiste eingesperrte Holzkugel hat eine Spannenergie von 1,5 J. Zeige mit Hilfe einer Rechnung, wie Felix auf diesen Wert kommt. Die Aussage von Felix enthält jedoch einen Fehler. Erläutere diesen Fehler kurz und stelle ihn richtig. b) Berechne die Höhe h (bezogen auf Höhe = 0 ), die die Kugel erreicht, wenn der Deckel geöffnet wird. [Zwischenergebnis: h = 1,4 m ] c) Berechne die Auftreffgeschwindigkeit der Kugel auf dem Boden, wenn sich ihre Startposition (Höhe = 0 ) 1 cm über dem Boden befindet. GP_A0077 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0077) 1 ()

18 3. Ein,00 t schwerer Wagen (einschließlich Personen) einer Achterbahn wird über eine Art Seilwinde innerhalb von 30,0 Sekunden auf eine Höhe von 8,0 Meter befördert. a) Berechne die Leistung, die der Motor der Seilwinde aufbringen muss. [Zwischenergebnis: P = 18,3 kw ] b) Tatsächlich benötigt der Motor jedoch eine elektrische Energie von 750 kj. Berechne den Wirkungsgrad des Motors und gib ihn in Prozent an. c) Der Wirkungsgrad des Systems Achterbahn beträgt 85,0%. Berechne daraus die maximale Geschwindigkeit des Wagens. Erkläre kurz was mit den restlichen 15,0% der Gesamtenergie passiert. 4. Luzia fährt auf ihren Skiern (Gesamtmasse 65 kg) einen steilen Hang hinunter. Nach dem Hang schließt ein waagerechter Teil mit nassem Schnee an und Luzia wird durch den Schnee von v1 = 36 km / h auf v = 9 km / h abgebremst. a) Berechne die kinetische Energie von Luzia vor und nach der Bremsstrecke. Gib die Werte jeweils in kj an. b) Erkläre kurz, warum während des Bremsvorgangs Arbeit verrichtet wird. Berechne diese Arbeit. 5. Kreuze an, ob bei den Aussagen eine Beschleunigung des jeweiligen Gegenstands vorhanden ist. Beachte: Bei einer richtigen Antwort gibt es einen Punkt, bei einer falschen wird ein Punkt abgezogen. Insgesamt gibt es minimal 0 Punkte. Ein Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit um eine Kurve. Die Geschwindigkeit eines Autos wird um 10% gesteigert. Ein Auto reduziert seine Geschwindigkeit, da es abgebremst wird. Die Motorkraft treibt ein Auto so an, dass es konstant mit 100 km/h fährt. Eine Kugel wird von 10 m Höhe fallen gelassen. Eine Kugel wird m in die Höhe geworfen. Beschleunigung ist vorhanden Keine Beschleunigung GP_A0077 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0077) ()

19 1. Bei einer Achterbahn wird der Zug in dem die Fahrgäste sitzen, auf eine Starthöhe von 40,0 m hochgezogen. a) Berechne die maximale Geschwindigkeit in km / h, die der Zug erreichen könnte, wenn die Reibung nicht berücksichtigt wird. Spielt dabei die Anzahl der Fahrgäste eine Rolle? (Begründung!) b) Aufgrund von Reibungseffekten beträgt die Geschwindigkeit (im Punkt B) nur 6 m / s. Berechne den Energieverlust in Prozent! c) Gleich im Anschluss an die erste tiefste Stelle folgt ein großer Looping mit einer Gesamthöhe von 0 m. Nach TÜV- Vorgaben muss die Geschwindigkeit des Zuges an seiner höchsten Stelle mindestens 10 m / s betragen, sonst würde der Zug abstürzen. Ist diese Bedingung bei Berücksichtigung der Reibung erfüllt? Begründung durch Rechnung!. Bei einem Handballspiel wirft ein Spieler auf das Tor. Dabei beschleunigt ein Spieler den Ball (m 450g) auf die Geschwindigkeit 10 km / h a) Berechne die beschleunigende Kraft, wenn der Beschleunigungsweg ca. 1,60 m (zwei Armlängen) beträgt. b) Berechne die Beschleunigung des Balls, wenn die beschleunigende Kraft 0,11kN beträgt. 3. Ein, t schwerer Lift (ohne Personen) eines Hochhauses wird mit einem Elektromotor (Leistung 0 kw) betrieben. Bei einer Fahrt in den 7. Stock überwindet er einen Höhenunterschied von 1 m. Die Fahrt dauert 30 s. a) Berechne die Leistung, die vom Motor beim Hochfahren tatsächlich aufgebracht worden ist. b) Berechne den Wirkungsgrad des Motors, wenn er beim Hochfahren 15 kw Leistung aufgebracht hat. c) In welcher Zeit befördert der Lift 5 Personen (Gesamtmasse 400 kg) in den 7. Stock, wenn der Wirkungsgrad 75% beträgt? GP_A0078 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0078)

20 1. Ein Achterbahnwagen der Masse 300 kg durchläuft die skizzierte Bahn von A über B nach C. Die Gesamtlänge der Bahn von A nach C beträgt 375 m. Die Geschwindigkeit des Wagens in A ist Null. a) Erläutere die Energieumwandlungen, die zwischen A und B bzw. zwischen B und C stattfinden, für einen angenommen reibungsfrei fahrenden Wagen. b) Berechne die Geschwindigkeit (in km / h) des Wagens in C ohne Berücksichtigung der Reibung. c) In Wirklichkeit hat der Wagen in C wieder die Geschwindigkeit Null. Berechne die mittlere Reibungskraft, die während der Fahrt auf den Wagen wirkt.. a) Wie lautet die Definition der physikalischen Größe Arbeit? b) Nenne vier verschiedene Formen von Arbeit! c) Nenne je ein Beispiel dafür, dass an einem Körper Arbeit verrichtet wird bzw. dass ein Körper Arbeit an der Umgebung verrichtet! (Gib die Antworten in ganzen Sätzen!) d) Ein Kleinlaster ( m 3,0 t ) beschleunigt von 7 km/h auf erlaubte 80 km/h. Welche Beschleunigungsarbeit in MJ wird dabei verrichtet? 3. Warum kühlt sich eine Flüssigkeit beim Verdunsten ab? Erkläre unter Zuhilfenahme des im Unterricht behandelten Teilchenmodells für Flüssigkeiten (Beschreibe dieses Modell auch). GP_A0079 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0079) 1 ()

21 4. Kreuze bei den folgenden Aufgaben die richtige(n) Lösung(en) an. Die SI-Einheit der Energie lautet... Ampere Joule Newton Pascal Volt Watt Bei einem Crashtest wird ein Auto aus 5 m Höhe fallen gelassen. Nun will man die Aufschlaggeschwindigkeit verdoppeln. Was ist dafür richtig? Um die Aufschlaggeschwindigkeit zu verdoppeln, müsste man die Fallhöhe verdoppeln. Um die Aufschlaggeschwindigkeit zu verdoppeln, müsste man die Fallhöhe vervierfachen. Um die Aufschlaggeschwindigkeit zu verdoppeln, müsste man die Fallhöhe mal 1,4 (Wurzel aus ) nehmen. Um die Aufschlaggeschwindigkeit zu verdoppeln, müsste man ein doppelt so schweres Auto nehmen. Beim Zusammenstoßen mit einem Baum bewirkt die Bewegungsenergie des Autos die Verformungsarbeit am Auto und auch am Mensch. Die für die Unfallfolgen verantwortliche Verformungsarbeit ist also direkt proportional zur Bewegungsenergie des Autos. Was ist richtig? Die Unfallfolgen mit 7 km/h sind vier mal schlimmer als bei 36 km/h. Die Unfallfolgen mit 7 km/h sind doppelt so schlimm wie bei 36 km/h. Die Unfallfolgen mit 144 km/h sind vier mal schlimmer als bei 36 km/h Die Unfallfolgen mit 144 km/h sind acht mal schlimmer als bei 36 km/h. Die Unfallfolgen mit 144 km/h sind sechzehn mal schlimmer als bei 36 km/h. Beim Schleuderbrett wird im Idealfall die mechanische Energie von einer Person auf eine andere Person vollständig übertragen. Was ist richtig unter der Voraussetzung die leichte Person ist halb so schwer wie die schwere Person? Eine doppelt so schwere Person kommt gleich hoch wie die leichte Person. Eine doppelt so schwere Person kommt doppelt so hoch wie die leichte Person. Eine doppelt so schwere Person kommt halb so hoch wie die leichte Person. Eine doppelt so schwere Person kommt ein viertel so hoch wie die leichte Person. Ein Fadenpendel der Länge l und der Masse m pendelt verlustfrei hin und her. Was ist richtig? Die Gesamtenergie des Systems schwankt periodisch. Die potenzielle Energie des Systems schwankt periodisch. Die kinetische Energie des Systems schwankt periodisch. Die Gesamtenergie des Systems ist immer konstant. Die potenzielle Energie des Systems ist immer konstant. Die kinetische Energie des Systems ist immer konstant. GP_A0079 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0079) ()

22 1. Was ist ein Kraftwandler? Nenne drei Beispiele!. Ein Container mit einer Gesamtmasse von 0 t wird von einem Sattelschlepper auf einen Eisenbahnwagen umgeladen. Dazu muss ein Kran den Container um 80 cm anheben. Welche Hubarbeit wird beim Umladen verrichtet? 3. Emma (6 kg) trägt einen 10 kg schweren Koffer aus dem Erdgeschoss in den zweiten Stock. Die durchschnittliche Etagenhöhe in dem Haus beträgt,80 m. a) Wie groß ist die Energie, die Emma dazu aufbringen muss? b) Bei den Treppenabsätzen trägt Emma den Koffer 1,50 m in waagrechter Richtung. Welche Arbeit verrichtet sie hierbei? Begründe deine Antwort! c) Wie viele Stockwerke könnte Emma den Koffer hoch tragen, wenn sie eine Energiemenge von 10 kj umwandelt? 4. Ein Turmspringer taucht mit km 36 h ins Wasser ein. a) Aus welcher Höhe ist er gesprungen? b) Mit welcher Geschwindigkeit trifft eine halb so schwere Person auf die Wasseroberfläche? Begründung! c) Bei welcher Fallhöhe erreicht der Turmspringer die doppelte Endgeschwindigkeit? 5. Ein Autofahrer führt auf der Autobahn bei v 16km/h eine Vollbremsung durch, weil er nach einer Kurve plötzlich das Ende eines Staus sieht. Das Abbremsen dauert 5 s, die mittlere Bremskraft beträgt F 16kN. Auto und Fahrer haben zusammen eine Masse von m 1450kg. a) Berechne die kinetische Energie des Autos vor dem Abbremsen (Ergebnis in kj). b) Beim Bremsen nimmt die kinetische Energie des Autos ab. Wohin geht sie? c) Wie weit muss das Auto zu Beginn des Bremsens mindestens noch vom Stauende entfernt sein, damit es nicht auf das letzte Auto auffährt? GP_A0080 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0080)

23 1. Ein Auto der Masse 900 kg ist in Ruhe. a) Berechne die benötigte Arbeit, um das Auto auf ebener Straße auf eine Geschwindigkeit von 90 km/h zu beschleunigen. b) Jetzt wird der Antrieb ausgeschaltet und das Auto rollt im Leerlauf einen Berg hinauf. Wie viele Meter Höhe kann das Auto maximal gewinnen? Warum ist es unmöglich, diesen Wert in der Praxis zu erreichen?. Der geübte Bergsteiger Franz Obermeier aus Tirol (Gesamtmasse 85 kg) kann einige Stunden lang eine Leistung von ca. 10 W erbringen. Wie viele Meter Höhe schafft Franz, wenn er 5 h lang nur bergauf geht? 3. Mit Hilfe einer Kombination aus einem Elektromotor und einem Flaschenzug ( lose und feste Rollen) soll eine Last von 400 N in den ersten Stock (Höhe 3,0 m) gehoben werden. Der Elektromotor erhält die nötige Energie aus dem Stromnetz und zieht am Zugseil des Flaschenzugs. a) Gib die Energieumwandlungskette und die jeweils verrichteten Arbeitsarten an. b) Zeichne den Flaschenzug zusammen mit dem Gewicht. c) Berechne die Kraft, die der Elektromotor aufbringen muss, wenn die Masse jeder Rolle 600 g beträgt. d) Welchen Wirkungsgrad hat das Gesamtsystem, wenn insgesamt 000 J aus dem Stromnetz entnommen werden? 4. I) Wie lautet der newtonsche Trägheitssatz? II) Wie lautet die Goldene Regel der Mechanik? III) Wie ist die Dichte definiert? (Gib eine Formel an!) 5. Eine Billardkugel (Masse 00 g) wird mit einer Kraft von 5 N angestoßen. Welche Beschleunigung erfährt die Kugel bei diesem Stoß? GP_A0081 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0081)

24 1. Ein Skiläufer hat eine Masse von 81,5 kg und bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit horizontal von A nach B (Länge der Strecke: 5,0 km). a) Mit welcher Kraft muss der Läufer von A nach B anschieben, wenn die Gleitreibungszahl auf Schnee 0, ist und welche Reibungsarbeit verrichtet der Läufer? Nachdem der Skiläufer den Punkt B passiert hat, gleitet er mit konstanter Geschwindigkeit einen Hang hinunter zum Punkt C. b) Welches Kräftegleichgewicht muss dabei vorliegen? c) Wie groß ist die verrichtete Reibungsarbeit zwischen B und C?. Du schießt einen U-förmig gebogenen Nagel der Masse 0 g mit einem Gummi aus einer Höhe von 1,8 m zum Boden senkrecht in die Luft. a) Beschreibe die auftretenden Energien, kurz vor dem Abschießen bis zum Zeitpunkt, wenn der Nagel auf dem Boden aufschlägt. b) Der Gummi wurde vor dem Abschießen um 4 cm gedehnt. Nimm an, er verhält sich wie eine Feder. Welche Federkonstante hätte er, wenn der Nagel eine Höhe von 3,8 m zum Boden erreicht? c) Welche Geschwindigkeit hat der Nagel beim Auftreffen auf den Boden? 3. Ein Auto der Masse 1, t fährt auf waageechter Strecke mit der konstanten Geschwindigkeit 50 km/h. a) Der Autofahrer möchte ein langsameres Fahrzeug überholen und beschleunigt auf 100 km/h. Welche Beschleunigungsarbeit wird verrichtet? b) Plötzlich springt eine Katze in 100 m Entfernung auf die Fahrbahn. Der Fahrer macht eine Vollbremsung. Reicht sein Bremsweg aus, um vor der Katze von der Geschwindigkeit 100 km/h zum Stillstand zu kommen, wenn die Reibungszahl der Autoreifen auf der Straße den Wert 0,437 hat? GP_A008 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L008)

25 Verwende: g 9,81m/s, 1N 1kgm/s 1. a) Gib die Arten der mechanischen Reibung an und ordne sie nach aufsteigender Größe der zugehörigen Reibungskräfte. Drei Holzklötze (Masse je 50 g) liegen auf einem Tisch. Sie sollen mit konstanter Geschwindigkeit über den Tisch gezogen werden, wobei die Reibungszahl für die Flächen Holz und Tischoberfläche 0,5 beträgt. b) Welche Gewichtskraft G 1 ist hierfür nötig, wenn die Klötze übereinander liegen (A) und welche Kraft G ist hierfür nötig, wenn die Klötze hintereinander liegen (B)? c) Welche Arbeit verrichtet das Gewichtsstück G 1 an den Klötzen, wenn es sich bei dem Ziehvorgang um 1,5 m senkt?. Mit einem Flaschenzug (siehe rechts) wird ein Körper G mit der Gewichtskraft FG 3N hoch gehoben. Das Gewicht der Verbindungsstange ist vernachlässigbar, das Gewicht einer Rolle beträgt G 3,0N. R a) Berechne die Beträge F 1 und F der Haltekräfte. b) Um wie viel wird das Gewicht G gehoben, wenn nur mit F um 40 cm gezogen wird? 3. Eine Kugel der Masse m 40g liegt vor einer um s 5,0cm gespannten Feder (D 6,0N/cm). Beim plötzlichen Entspannen der Feder beschleunigt die Kugel. Dabei wird die Energie der Feder vollständig an die Kugel weitergegeben. Die Kugel rollt dann reibungslos auf der Bahn. a) Berechne die Spannenergie der gespannten Feder. b) Berechne die maximale Geschwindigkeit (in m/s), die die Kugel unmittelbar nach der Beschleunigung durch die Feder hat! c) Welche Höhe erreicht die Kugel maximal? GP_A0083 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0083)

26 1. Energie Eine Kugel rollt auf der skizzierten Bahn vom Punkt A ha 7m hinunter zu B, dann durch das Looping über C und B und trifft im Punkt D auf eine Feder der Härte 1 N/ cm, die bis zum Punkt E zusammengedrückt wird. Hinweis: Reibung wird bei diesen Aufgaben nicht berücksichtigt. a) Wie groß ist die Geschwindigkeit in m/s der Kugel im Punkt B? b) Berechne h C, wenn die Kugel im Punkt C die Geschwindigkeit 47 km/h hat. c) Wie groß ist die Masse der Kugel, wenn die Feder um s 13cm zusammengedrückt wird?. Leistung Ein Bergsteiger möchte die Alpspitze besteigen. Von Garmisch-Partenkirchen (760 m) fährt er mit der Seilbahn zum Kreuzeckhaus (165 m), von dort geht er zu Fuß weiter bis zum Gipfel der Alpspitze (68) m. Die Höhenangaben beziehen sich auf die Höhe über dem Meeresspiegel. Hinweis: Reibung wird bei diesen Aufgaben nicht berücksichtigt. a) Die Seilbahn braucht 1 min für die Fahrt von Garmisch-Partenkirchen zum Kreuzeckhaus. Der Motor, der die Seilbahn antreibt, hat einen Wirkungsgrad von 74%. Berechne die Leistung des Motors, wenn 45 Personen zu je 86 kg Masse (Durchschnitt) in der Seilbahn sind. Die Eigenmasse der Gondel wird mit 3,5 t angenommen. Die Masse des Zugseils bleibt unberücksichtigt. b) Der Bergsteiger (er hat die Masse 8 kg) geht nun zu Fuß vom Kreuzeckhaus auf die Alpspitze und leistet dabei durchschnittlich 85 W. Wie viele Stunden dauert sein Aufstieg? 3. Reibung 3 Würfel werden wie in folgender Skizze über eine ebene Fläche mit gleich bleibender Geschwindigkeit gezogen. Die Reibungszahl beträgt bei Holz (H) 0,3 und bei Metall (M) 0,15. Ein Holzwürfel hat die Masse 400 g, ein Metallwürfel 1300 g. a) Berechne die Zugkraft für die beiden skizzierten Anordnungen (1) und (). b) Wie weit muss ein einzelner Holzwürfel gezogen werden, wenn die hierbei verrichtete Arbeit 340 J beträgt? GP_A0084 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0084)

27 1. Reibung und Flaschenzug Ein Metallkörper K der Masse m 500kg soll mit Hilfe des gezeichneten Flaschenzuges waagrecht auf der Unterlage mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden. Das Gewicht des Flaschenzugs sei vernachlässigbar. a) Wie groß ist die Reibungskraft F R, wenn die Reibungszahl 0,15 beträgt? Berechne damit die Zugkraft F! Z b) Der Körper wird s 3m bewegt. Berechne die Reibungsarbeit W R! c) Weshalb muss man zu Beginn der Bewegung mit etwas stärkerer Kraft am Seilende anziehen?. Pendel Ein Fadenpendel (Masse des Pendels: m = 150 g) wird im Punkt 1 losgelassen. Es befindet sich um h 8,00cm über der Ruhelage. 1 a) Zeige durch Rechnung, dass die Ausgangsenergie des Systems E 118 mj beträgt. 1 b) Welche maximale Geschwindigkeit erreicht der Pendelkörper und in welchem Punkt seiner Bahn wird diese Geschwindigkeit erreicht? c) Wegen der im realen Fall auftretenden Reibung erreicht der Pendelkörper im Umkehrpunkt nur mehr die Höhe h 7,40cm. Wie viel Prozent hat sich die Ausgangsenergie bei der Schwingung von 1 nach verringert? 3. Katapult In der Ruhelage (Pos. 1) ist die Feder D 0N/cm entspannt. Das Gewicht des Hebels sei vernachlässigbar. Das Katapult wird nun so weit gespannt (Pos. ), dass die Feder um s 15cm gedehnt wird. a) Welche Kräfte wirken auf beiden Seiten des Hebels, wenn das Katapult gespannt ist? b) Welche Höhe erreicht ein 00 g schweres Geschoss maximal, wenn beim Loslassen die Spannenergie vollständig in Lageenergie umgesetzt wird? GP_A0085 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0085)

28 1. Bei einem Fahrrad tritt man mit der senkrechten Kraft FP = 40 N auf das Pedal der waagerecht stehenden Tretkurbel, die fest mit dem vorderen Kettenrad verbunden ist. Dadurch wirkt eine Kraft F K am Kettenblatt, die wiederum über die Fahrradkette auf das Ritzel übertragen wird. Dieses ist fest mit dem Hinterrad des Fahrrads verbunden und treibt dieses somit an. Gegeben sind die Radien von Tretkurbel, Kettenblatt und Ritzel: r = 0 cm, r = 10 cm, r = 5 cm ; Die Zeichnung ist nicht maßstäblich! P K R a) Berechne das Pedalmoment (Drehmoment) in Nm an der Tretkurbelwelle. b) Berechne die Zugkraft F K in der Kette. c) Wie groß ist das Drehmoment am Ritzel des Hinterrads?. Ein PKW mit der Masse 1, t fährt mit der konstanten Geschwindigkeit v = 7km/h. a) Welche konstante Bremskraft muss mindestens wirken, damit der Bremsweg nicht länger als 80 m ist? b) Wie ändert sich der Bremsweg, wenn bei glatter Fahrbahn die Reibungszahl m nur noch die Hälfte von Aufgabe a) beträgt? 3. Ein LKW mit der Masse 8,00 t prallt mit 54km/h frontal auf eine Betonmauer. a) Welche kinetische Energie besitzt der LKW beim Aufprall? b) Welche kinetische Energie ergibt sich bei Halbierung der Aufprallgeschwindigkeit? Begründe Deine Antwort kurz, keine Rechnung! c) Aus welcher Höhe h müsste der LKW herabfallen, um mit derselben kinetischen Energie am Boden aufzutreffen? 4. Ein Bergsteiger (100 kg, einschl. Ausrüstung) besteigt von Ehrwald aus (994 m ü. NN) in einem 11, km langen Anstieg die Zugspitze (963 m ü. NN). Für diese Strecke benötigt er 8,5 Std. Berechne die dabei erbrachte physikalische Leistung. GP_A0086 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0086) 1 (1)

29 1. Schlitten (Reibung) a) Siberian der Schlittenhund zieht den Schlitten, auf dem Knut der Eisbär und Gustav die Gans sitzen, mit der Kraft 100 N (parallel zum Boden). Gelingt es Siberian, den Schlitten in Bewegung zu setzen? Rechnerische Begründung! b) Gustav die Gans springt ab. Welche Kraft muss Siberian nun aufwenden, um den Schlitten mit konstanter Geschwindigkeit zu ziehen? Daten: mschlitten 10kg; mknut haft 0,10; gleit 0,040; 85kg; mgans 0kg; g 10m/s. Regal (Arbeit) Gleich schwere Kugeln sind vom Boden in einzelne Felder eines Regals gehoben worden. In welchen Fällen wurde die gleiche Arbeit zum Füllen der Regalfelder verrichtet? Antworte so: W1A WC. Gib 4 Beispiele an mit kurzer Begründung! 3. Ballwurf ohne Reibung (Energie) Ein Ball der Masse 500 g wird nach oben geworfen und erreicht eine Höhe von 1 m. a) Beschreibe die Energieumwandlungen während des Fluges bis der Ball am Boden auftrifft. b) Wie groß ist die potenzielle Energie des Balles im höchsten Punkt seiner Bahn? c) Welche Geschwindigkeit hat der Ball kurz vor dem Auftreffen am Boden? Beantworte die folgenden Fragen ohne weitere Rechnung aber mit Begründung! d) Welche Geschwindigkeit erreicht der Ball, wenn er aus der doppelten Höhe herunterfällt? e) Aus welcher Höhe muss der Ball herunterfallen, damit er nur die halbe Geschwindigkeit erreicht? f) Welche Geschwindigkeit erreicht der Ball, wenn er nur die halbe Masse hat? GP_A0087 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0087) 1 (1)

30 1. Mit einem Flaschenzug wird ein Körper der Masse mk 1,5 t um die Höhe h 3,0m gehoben. Die lose Flasche einschließlich Haken hat ein Gewicht GF 0,0kN, der Wirkungsgrad des Flaschenzugs beträgt 85 %. a) Berechne die gesamte aufzuwendende Arbeit. b) Berechne die Reibungsarbeit, die beim Hochheben verrichtet wird.. Rentier Hansi muss den mit 80 kg Geschenken beladenen Schlitten (Schlittenmasse 50 kg) ziehen, auf dem zusätzlich Nikolaus mit seinen 70 kg Platz genommen hat. Es geht nun stets waagrecht mit konstanter Geschwindigkeit voran, und die Reibungszahl für Schnee-Kufen beträgt nur 0,15. a) Welche Zugkraft muss Hansi bei konstanter Geschwindigkeit aufbringen? b) Welche Zugarbeit verrichtet Hansi, wenn er genau zwei Stunden lang mit einer Geschwindigkeit von 1 Kilometer pro Stunde läuft? 3. Ein Fadenpendel der Länge 1,0 m wird um 0 cm angehoben und dann losgelassen. a) Beschreibe die Energieumwandlungen der Pendelmasse ( m 100g) bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie zurückgekehrt ist. b) Wie groß ist die maximale kinetische Energie des Pendels? Wo wird sie erreicht? c) Wie groß ist die maximale Geschwindigkeit des Pendels? d) Nach 10 Durchgängen erreicht das Pendel nur mehr die Höhe 17 cm. Wie viel Prozent der anfänglichen Energie ist verloren gegangen? e) Warum ist der Ausdruck verloren gegangene Energie unter physikalischen Gesichtspunkten falsch? Wo ist die fehlende Energie hingekommen? 4. Ein PKW - Bauteil (m 40kg) wird einem Belastungstest unterzogen und dabei verschiedenen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ausgesetzt. Einige Werte wurden aufgezeichnet und in einem Diagramm (rechts) dargestellt. a) Bestimme die mittlere Beschleunigung im Bereich A. b) Welche Leistung wird in Phase C von der Testanlage für das PKW-Bauteil erbracht? c) In Phase E wird ein Aufprall (Crash) simuliert. Welche Beschleunigungskräfte in Vielfachen der Erdbeschleunigung g treten hierbei ungefähr auf? GP_A0088 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0088) 1 (1)

31 1. Ein Auto (m = 1,30 t) fährt mit der Geschwindigkeit 54 km / h. a) Welche Bewegungsenergie hat das Auto? b) Wie schnell müsste es fahren, wenn seine Bewegungsenergie doppelt so groß sein soll? c) Die Beschleunigung von 0 auf 54 km / h erfolgte auf einem Weg von 80 m. Welche mittlere Motorkraft war zur Beschleunigung nötig?. Ein Sack (m = 45 kg) wird,6 m hoch gezogen. a) Welche Hubarbeit ist dazu nötig? b) Zieht man den Sack aber über eine 1,5 m lange Rampe hoch, muss eine Arbeit von 1800 J aufgewendet werden. Welche mittlere Zugkraft ist nötig? c) Aus dem Ergebnis von a) und der Angabe von b) lässt sich die Reibungsarbeit beim Hochziehen des Sackes über die Rampe berechnen. Wie groß ist die Reibungsarbeit? Welche Reibungszahl ergibt sich daraus? (Hinweis: Näherungsweise darf die Anpresskraft F N der Gewichtskraft F G gleichgesetzt werden.) 3. In einem Flusskraftwerk wird die Bewegungsenergie des mit 3,6 m / s strömenden Wassers ein elektrische Energie umgewandelt. 3 a) Wie groß ist die Bewegungsenergie von 1,0 m Wasser? ( Wasser 1,0 kg / Liter ) b) Wie groß ist die mechanische Leistung des Wassers, wenn pro Sekunde durch die Turbinen strömen? 3 5 m c) Welche elektrische Leistung erbringt das Kraftwerk, wenn der Wirkungsgrad der Energieumsetzung etwa 74% beträgt? 4. Eine Kugel (m 0,kg) startet bei Position A und rollt die Bahn zunächst reibungsfrei hinab. Im Punkt B hat sie die Geschwindigkeit v 5m/s. Rechne mit g 10m/s. a) Beschreibe in Kurzform die folgenden Energieumwandlungen: A B; B C; C D; D C; C B; B A b) Wie groß ist die Gesamtenergie des Systems in Joule? c) Aus welcher Höhe startet die Kugel? d) Wie groß ist die Federhärte D, wenn die Feder um 10 cm zusammengedrückt wird? e) In Wirklichkeit erreicht nun die Kugel nach dem Zurückschleudern nur noch 80% ihrer Ausgangshöhe. Wie viel Joule sind nun in Reibungsarbeit übergegangen? GP_A0089 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0089)

32 1. Die Seilbahn auf den Predigtstuhl in Bad Reichenhall trägt in 8,5 Minuten eine Kabine (145 kg) und sechs Personen (je 7 kg) nach oben. Das Gewicht des Zugseils wird nicht berücksichtigt. a) Mit welcher konstanten Geschwindigkeit bewegt sich die Seilbahn? b) Welche Leistung erbringt die Seilbahn bei einer Bergfahrt? c) Berechne den Leistungsverlust dieser Anlage, wenn der Wirkungsgrad 75% beträgt.. Ulli ist stolz, dass er gestern die Fahrprüfung bestanden hat. Mit seinem PKW (m 1,t) fährt er schneidig durch seinen Heimatort (erlaubte Höchstgeschwindigkeit 50 km/h), plötzlich taucht ein Hindernis auf der Straße auf Ulli kann trotz Vollbremsung einen Unfall nicht verhindern. a) Der Polizei versichert Ulli, dass er die erlaubte Geschwindigkeit eingehalten hat. Diese rechnet ihm jedoch vor, dass bei einer Bremsspurlänge von 7,5 m und der Reibungszahl 0,60 seine Angabe nicht richtig sein kann. Um wie viel km/h hat Ulli die erlaubte Höchstgeschwindigkeit überschritten? b) Ullis Auto muss abtransportiert werden; dabei wird das Fahrzeug über eine 4 m lange schiefe Ebene auf die 60 cm hohe Ladefläche gezogen. Welche Zugkraft ist dazu notwendig (Reibungsverluste bleiben unberücksichtigt)? 3. Bei einer Federpistole wird die Feder um 3,5 cm zusammengedrückt. Um sie in dieser Position zu halten ist eine Kraft von 15 N nötig. Mit der so gespannten Feder soll eine 10 g schwere Kugel senkrecht nach oben geschossen werden. a) Welche maximale Höhe erreicht die Kugel, wenn von Reibung abgesehen wird? b) Welche Geschwindigkeit hat die Kugel 50 cm unterhalb dieser Maximalhöhe? [Teilaufgabe b) kann ohne die Lösung von Abschnitt a) berechnet werden!] 4. Eine Kugel (m kg) wird in einer Halfpipe aus der Höhe h 1,8m losgelassen. a) Welche der vorgeschlagenen Positionen 1 bis 5 kann sie erreichen, wenn Reibungsverluste nicht zu berücksichtigen sind? b) Bei welcher Position ist die kinetische Energie am größten? Begründung angeben! c) In Position ist die Kugel auf einer Höhe von 1,3 m. Ist dort ihre potenzielle oder ihre kinetische Energie größer? Begründung, aber keine Rechnung! d) Welche Geschwindigkeit besitzt die Kugel in Position? GP_A0090 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0090) 1 (1)

33 1. a) Wie wird in der Physik die Größe Leistung definiert? Welche Einheit ergibt sich aus dieser Definition für die Leistung? b) Häufig verwendete Einheiten für die Arbeit sind 1 Ws und 1 kwh. Drücke 1 Ws und 1 kwh jeweils durch J aus.. Mit einem Kran wird ein Eisenträger der Masse 400 kg auf eine Höhe von 1 m gebracht. a) Berechne die für das Heben des Eisenträgers notwendige Arbeit. b) Die lose Flasche des Flaschenzugs hat die Masse 0 kg. Welche Arbeit wird für das Heben der Flasche benötigt? c) Der Wirkungsgrad beträgt 0,9. Berechne die Arbeit, die dem Flaschenzug zugeführt werden muss. Wie groß ist also die Reibungsarbeit? d) Wie lange dauert der Vorgang, wenn der Motor dem Flaschenzug des Krans eine Leistung von 5,6 kw zuführt? (Beachte c!) 3. Ein Besucher im Fitnessstudio dehnt einen Expander (= Schraubenfeder) unter dem Kraftaufwand von 50 N um 40 cm. Er berechnet seine Arbeit zu 100 J. a) Erkläre, welchen Fehler er offensichtlich in seiner Rechnung gemacht hat. Berechne dann seine tatsächliche Arbeit und begründe die von dir verwendete Formel. b) Wie groß ist die Verlängerung, die sich bei einer Arbeit von 100 J ergibt? 4. Du stehst auf einer Brücke und lässt einen Stein mit der Masse 00 g in den 15 m tiefer liegenden Fluss fallen. a) Wie groß ist die Lageenergie, die der Stein gegenüber dem Wasserspiegel besitzt? b) Welche Geschwindigkeit müsste der Stein haben, damit seine Bewegungsenergie denselben Wert wie die in a) berechnete Lageenergie besitzt? c) Welche Vermutung über die Geschwindigkeit des Steins beim Auftreffen auf der Wasseroberfläche liegt nahe? GP_A0091 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0091)

34 1. An eine senkrecht aufgehängte Feder wird im ungespannten Zustand ein Gewichtsstück der Masse m 00 g gehängt. Dadurch verlängert sich die Feder um s1 15 cm. a) Welche Arbeit wird dabei an der Feder verrichtet? b) Welche Energie ist in der Feder gespeichert? c) Welche Arbeit muss an der Feder verrichtet werden, um diese von 15 cm auf 30 cm zu verlängern?. Eine Last mit 10 kg Masse soll mit der skizzierten Vorrichtung um 1,6 m gehoben werden, bei der jeweils eine Rolle mit Radius R mit einem Zahnrad vom Radius R Z verbunden ist. An den Rollen ist jeweils ein Seil aufgewickelt. a) Wie groß ist die verrichtete Arbeit? b) Mit welcher Kraft FZ muss gezogen werden, um die Last anzuheben? R1 8,0cm, RZ1 15cm, R 5,0cm, RZ 0cm 3. Die Turbine eines Wasserkraftwerks kann eine Leistung von 700 kw erbringen. Das zum Betrieb erforderliche Wasser strömt durch eine Rohrleitung aus einem 130 m höher gelegenen See. Wie viele Kubikmeter Wasser müssen pro Stunde durch die Leitung fließen, um diese Leistung zu erbringen? 4. Zwei Kisten werden horizontal entweder aneinander gehängt oder aufeinander gestapelt 5 m weit gezogen. Ihre Höhe beträgt jeweils 40 cm. m1 60kg; 1 0,40 ; m 0kg; 0,50. a) Bei welcher Anordnung ist die nötige Zugkraft Z F am geringsten? b) Welche Anordnung erfordert die wenigste Arbeit, unter Berücksichtigung der Hubarbeit? GP_A009 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L009) 1 (1)

35 1. Um mit einem Seil eine Kiste hochzuziehen wird folgendes verwendet: Elektromotor mit Seilaufwicklung, Scheinwerfer, Solarmodul mit Anschlußleitung. Erstelle ein Energieflussdiagramm; die Geräte sind dabei sinnvoll anzuordnen! Benutze für die Energieart das Symbol und für den Energiewandler. Das Bild zeigt einen Flaschenzug, mit dem man eine Last hochziehen kann. Wie groß ist hier die Zugkraft, wenn die Last eine Gewichtskraft von 800 N hat? (Die Reibung und das Gewicht der losen Flasche sind zu vernachlässigen.) Erkläre am Beispiel dieses Flaschenzugs die so genannte goldene Regel der Mechanik! 3. Der zweiarmige Hebel ist um den Punkt D drehbar. a) Bestimme die Länge a 3 so, dass der Hebel im Gleichgewicht ist. m1 = 100 g, m = 50 g, m 3 = 75 g, a1 = 1 cm, a = 4 cm b) Die Masse m 3 wird durch eine Kraft F 3 ersetzt, die senkrecht nach unten wirkt. Berechne F 3. (Der Hebel soll natürlich weiter im Gleichgewicht sein.) c) Nun soll die Kraft nicht mehr senkrecht sondern schräg nach unten wirken (siehe Bild). Ist F 4 nun größer, kleiner oder gleich der Kraft F 3, wenn der Hebel weiter im Gleichgewicht ist? Begründe deine Antwort! Blatt beachten! GP_A0093 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0093) 1 ()