BESONDERE LEISTUNGSFESTSTELLUNG 2011 PHYSIK KLASSE 10

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1 Staatliches Schulamt Bad Langensalza BESONDERE LEISTUNGSFESTSTELLUNG 2011 PHYSIK KLASSE 10 Arbeitszeit: 120 Minuten Hilfsmittel: Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Taschenrechner Tafelwerk Der Teilnehmer löst die Pflichtaufgabe und wählt von den Wahlaufgaben A1 und A2 eine zur Bearbeitung aus. Rechts neben jeder Teilaufgabe steht die für diese Teilaufgabe maximal erreichbare Anzahl von Bewertungseinheiten (BE).

2 Pflichtaufgabe Im Wattenmeer vor der deutschen Nordseeküste entsteht ein aus 80 Windkraftanlagen bestehender Offshore Windpark. Die ersten Anlagen sind fertig gestellt und liefern über ein 120 km langes Gleichstromkabel Elektroenergie zum Festland. 1 Eine Windkraftanlage befindet sich 100 km nordwestlich von der Insel Borkum. Das Versorgungsschiff bewegt sich nur auf Grund seiner Antriebskraft von 480 kn gleichförmig durch die ruhige See. 1.1 Beschreiben Sie, was durch die physikalische Größe Kraft angegeben wird! 1.2 Nennen Sie die Gleichung zur Beschreibung des NEWTONSCHEN Grundgesetzes und interpretieren Sie diese! 1.3 Obwohl das Schiff durch eine konstante Kraft von 480 kn angetrieben wird, bewegt es sich gleichförmig durch das Wasser. Erklären Sie diesen Sachverhalt! 1.4 Am Tag der Überfahrt von Borkum zur angegebenen Windkraftanlage wird das Schiff zusätzlich durch starken Wind genau aus nordöstlicher Richtung mit einer Kraft von 340 kn beeinflusst. Überprüfen Sie durch Konstruktion, ob das Schiff mit einem Antriebskurs nach Norden die Windkraftanlage erreichen kann! Bestimmen Sie den Betrag der resultierenden Kraft, mit der das Boot bewegt 4 BE wird! 2 Zur Übertragung von Elektroenergie über große Entfernungen werden häufig Gleichstrom- statt Wechselstromanlagen errichtet. 2.1 Vergleichen Sie die Vorgänge in einem metallischen Leiter bei Gleichstrom beziehungsweise Wechselstrom! 2.2 Beschreiben Sie, wodurch Verluste bei der Energieübertragung unter Verwendung metallischer Leiter entstehen! Nennen Sie Kriterien, um die Elektroenergie möglichst verlustarm zu übertragen! 3 In Stromnetzen werden Transformatoren eingesetzt. 3.1 Beschreiben Sie den Aufbau eines Transformators und geben Sie dessen notwendige Verwendung in Stromnetzen an! 3.2 Entscheiden und begründen Sie, ob der Einsatz eines Transformators in direkter Verbindung mit dem Gleichstromnetz möglich ist! 3.3 Berechnen Sie das Verhältnis der Windungszahlen eines unbelasteten Transformators, wenn dieser eine Spannung von 10 kv auf 400 V transformieren soll!

3 Wahlaufgabe A1 Um die Windkraftanlagen zu errichten, wurde ein Spezialschiff gebaut, auf dem sich ein Kran und eine Ramme für das Einschlagen der Fundamentrohre befinden. 1 Der Rammenkörper hat eine Masse von 30,0t und wird mit Hilfe eines Elektromotors stets 15,0m über den Aufschlagpunkt angehoben, um danach im freien Fall auf das einzurammende Rohr zu schlagen. 1.1 Beschreiben Sie die Energieumwandlungen, die während des Betriebes der Ramme stattfinden! 1.2 Berechnen Sie die Hubarbeit am Rammenkörper, sowie dessen Auftreffgeschwindigkeit, wenn die Reibung nicht berücksichtigt wird! 1.3 Berechnen Sie die Mindestleistung des Motors, wenn dieser 25 s zum Anheben des Rammenkörpers benötigt! 1.4 Berechnen Sie, wie oft die Ramme in 5 Minuten höchstens aufschlagen kann, wenn keine Verzögerungen nach dem Anheben und dem Aufschlagen berücksichtigt werden! 4 BE 2 Für die Montage des Turms und der Gondel mit den Rotorblättern wird ein Kran benutzt, dessen Haken 120 m Höhe erreichen und dabei mit maximal 10 m Lasten bis 500 t heben kann. min 2.1 Berechnen Sie die Zeit, die bei dieser Hubgeschwindigkeit für das Anheben des Hakens über den vollständigen Hubweg benötigt wird! 2.2 Um den gesamten Kran zu Beginn des Hubvorganges nicht zu sehr zu belasten, muss die Last sehr behutsam angehoben werden. Begründen Sie diese Aussage! 2.3 Im folgenden Diagramm ist die Hubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit für den Beginn des Hubvorganges einer großen Last zu erkennen. v in m/min Interpretieren Sie das Diagramm! Bestimmen Sie die Höhe der angehobenen Last nach 2 s! 1 2 t in s

4 2.3.3 Berechnen Sie die Zugkraft, mit der eine Last von 500 t zu Beginn angehoben wird! Wahlaufgabe A2 Die Gondeln sind drehbar auf den Türmen montiert und an diesen befinden sich dreiflüglige Rotoren mit einem Durchmesser von 122 m. Die Anlagen werden ab m Windgeschwindigkeiten von 3 in Betrieb genommen, dabei rotieren die Flügel s 1 mit einer Drehzahl von 12. In jeder Gondel befindet sich ein Generator, min der bei dieser Drehzahl eine elektrische Leistung von 5200 kw erreicht. 1 Die Rotorspitzen führen eine gleichförmige Kreisbewegung aus. 1.1 Nennen Sie ein Kennzeichen der gleichförmigen Kreisbewegung! Geben Sie die Definition der physikalischen Größe Umlaufzeit an! 1.2 Berechnen Sie die Umlaufzeit der Rotorblätter! 1.3 Berechnen Sie die Bahngeschwindigkeit der Spitzen der Rotorblätter! 1.4 Begründen Sie, weshalb es wichtig ist, dass die Rotorflügel bis in ihre Spitzen aus Material mit geringer Dichte und hoher Zugfestigkeit beschaffen sind! 2 Der Generator ist das Kernstück einer Windkraftanlage. 2.1 Nennen Sie die Funktion eines Generators in einer Windkraftanlage und beschreiben Sie die physikalischen Grundlagen, auf denen diese Funktion beruht! 2.2 Um die vom Strom durchflossenen elektrischen Leiter entstehen unsichtbare Magnetfelder. Beschreiben Sie das magnetische Feldlinienmodell und skizzieren Sie einige Feldlinien um einen vom Strom durchflossenen geraden elektrischen Leiter! 3 Eine Windkraftanlage im Offshore - Betrieb soll in einem Jahr theoretisch so viel Elektroenergie erzeugen, wie von einer solchen Anlage an 200 Tagen bei voller Leistung erreicht werden kann. 3.1 Berechnen Sie, wie viele Haushalte in Deutschland mit einem durchschnittlichen jährlichen Elektroenergiebedarf von 4500 kwh durch eine Anlage versorgt werden können! 3.2 Berechnen Sie, wie viele solche Windkraftanlagen ein Kernkraftwerk mit 9 einer jährlichen Energieproduktion von 2,5 10 kwh ersetzen können! 3.3 Nennen Sie je zwei Vor - und Nachteile für den Betrieb von Windkraftanlagen!

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