Arbeitskreis Physik Physik-Olympiade 2016 Klassenstufe 9

Transkript

1 Klassenstufe 9 Teil 1 Experimentelle Aufgabe Klassenstufe 9 Wenn ein Lichtstrahl schräg auf eine planparallele Glasplatte trifft, so wird er um die Strecke x parallel verschoben. In der nachfolgenden Abbildung ist das Prinzip dargestellt: x Abbildung nicht maßstäblich! Abbildung 1 In einem Experiment soll nun der Abstand x in Abhängigkeit vom Einfallswinkel untersucht werden. Dazu kann der folgende Stecknadelversuch durchgeführt werden. Legen Sie das beigelegte Arbeitsblatt auf die Unterlage und den Glaskörper flach auf das vorgesehene Feld. Zweckmäßigerweise befestigen Sie ihn mit einem Tesastreifen. Wir messen wie folgt: Auf jedem vorgegebenen Lichtstrahl des Arbeitsblattes werden nacheinander zwei Stecknadeln so eingestochen, dass sich die erste direkt an der Vorderfläche des Glaskörpers befindet und die zweite Stecknadel am Anfang des gezeichneten Lichtstrahles entsprechend der nachfolgenden Abbildung. Achten Sie darauf, dass die Stecknadeln senkrecht sind. Abbildung 2 Man peilt nun beide Stecknadeln so an, dass sie auf einer Linie liegen und sticht direkt hinter dem Glaskörper eine dritte Stecknadel ein, die durch den Glaskörper gesehen scheinbar in der gleichen Flucht liegt; d.h., man sieht nur die erste Stecknadel, die anderen beiden werden von ihr verdeckt. Wenn man den Glaskörper entfernt, kann man den Strahlenverlauf analog der Abbildung 1 zeichnen und den Abstand x messen. Führen Sie das Experiment für die fünf vorgegebenen Strahlen mit den zugehörigen Einfallswinkeln durch.

2 Lösen Sie folgende Aufgaben: - Zeichnen Sie sehr exakt die fünf Strahlenverläufe verschiedenfarbig durch den Glaskörper hindurch auf dem Arbeitsblatt. - Messen Sie die fünf Abstände x und notieren Sie die Ergebnisse in der Tabelle. - Schätzen Sie die Genauigkeit der Messungen von x und ab. Begründen Sie Ihre Entscheidung kurz. - Stellen Sie Ihre Messwerte x in Abhängigkeit von [ x = f( ) ] in einem Diagramm dar. Verwenden Sie das Millimeterpapier auf dieser Seite unten. - Interpretieren Sie Ihr erhaltenes Diagramm und geben Sie eine physikalische Erklärung für dieses Phänomen. Messungen: Nr. α in x in Grafische Auswertung:

3 Klassenstufe 9 Teil 2 Gemischte Aufgaben ohne Experiment Felix Flink ist unter die Energieerzeuger gegangen. Er hat sich eine Solarzelle ersteigert und will nun wissen, was sie so bringt. Er beabsichtigt eine von allen Widrigkeiten des Lebens unabhängige Energieversorgung für seine diversen Stromverbraucher (Smartphone, Tablet, Reader...) aufzubauen. Im Beipack seiner Solarzelle findet er die unten stehende Graphik. Dort ist für verschiedene Einstrahlungssituationen der Sonne die Leistung seiner Solarzelle dargestellt. Er erkennt sofort, dass die maximale Spannung ca. 0,52 V beträgt. Dann fließt aber kein Strom. Andererseits ist die maximale Stromstärke 2,2 A. Dann bekommt er aber keine Spannung. Das ist auch nicht besser. Nun steht er vor dem Problem, seine Solarzelle so zu betreiben, dass sie die größtmögliche Leistung abgibt. Dabei soll ihm von Dir geholfen werden. Aufgaben: 1. Vervollständige folgende Tabelle mithilfe der Kurve für 1000 W/m 2. U in V 0 0,2 0,3 0,4 0,42 0,46 0,5 0,52 I in A 2. Erstelle mithilfe der Tabelle das Diagramm Leistung in Abhängigkeit von der Spannung. Bestimme aus dem Diagramm, bei welcher Spannung die abgegebene Leistung maximal wird. Wie groß ist dann die Stromstärke und wie groß die erreichte Leistung? 3. Um seine Ladestation zu betreiben, braucht Felix eine Spannung von 6 V. Wie viele Solarzellen muss er kaufen, um diese Spannung bei maximaler Leistung zu erhalten? Wie muss er die Zellen zusammenschließen? Begründe kurz. Wie groß ist die maximale Leistung seines so konstruierten Solarmoduls? bitte wenden

4 In ca. 150 m Entfernung von Felix' Solaranlage, die mittlerweile mit einer leistungsfähigen Batterie (Akku) ausgerüstet ist, so dass auch eine Nutzung bei Dunkelheit gewährleistet ist, steht ein Gartenhaus, das sich Felix gemütlich eingerichtet hat. Nun möchte er hier eine Beleuchtung installieren, die natürlich von seiner Solaranlage versorgt werden soll. Bei seinen Utensilien findet er zwei intakte Fahrradglühbirnchen mit der Aufschrift 6 V / 2,4 W und eine Rolle zweiadrigen dünnen Telefonkabels aus Kupfer (Querschnittsfläche 0,3 mm 2 ), das die notwendige Länge hat. Selbstverständlich geht er sofort ans Werk, legt die Leitung, schließt alles an und... es funktioniert nicht! Seine Lämpchen bleiben dunkel, obwohl das Kabel nicht beschädigt ist. Wenn er sein Voltmeter anschließt, zeigt dieses korrekt 6 V an. Aufgaben: 4. Wo liegt das Problem? Überprüfe Deine Vermutung rechnerisch. 5. Welche Möglichkeiten gibt es, das System so zu ändern, dass er sein Gartenhaus mithilfe seiner Solaranlage beleuchten kann? Beschreibe 2 Möglichkeiten und begründe jeweils. Felix, der sein Gartenhaus in Wildau hat, will seine Solaranlage hauptsächlich in den Sommermonaten betreiben. Dazu muss die Solarzelle in eine bestimmte Himmelsrichtung mit einer bestimmten Neigung aufgestellt werden. Da er in Erdkunde aufgepasst hat, weiß er, dass am 21. März und am 23. September mittags um 12 Uhr die Sonne am Äquator genau senkrecht steht. Aufgabe: 6. In welche Richtung muss die Solarzelle zeigen? Bestimme zeichnerisch den optimalen Neigungswinkel der Solarzelle. (Hinweis: Wildau liegt auf etwa 52 nördlicher Breite) Im April kann er sich seinen seit langem gehegten Traum erfüllen: Er hat das Geld für ein E-Bike gespart. Das Elektrofahrrad hat folgende Leistungsdaten: Spannung: 36 V Motorleistung: maximal 250 W maximale Geschwindigkeit: 25 km/h Akkukapazität: 360 Wh Selbstverständlich will Felix auch das neue Fahrrad mit seinem umweltfreundlichen Energiesystem versorgen. Dazu muss er es auf das Sechsfache erweitern, also auf eine Spannung von 36 V. Aufgaben: 7. Wie viele Zellen sind nun insgesamt notwendig? Wie lange muss die Sonne täglich durchschnittlich scheinen, wenn er seinen Akku einmal am Tag komplett aufladen will? 8. Wenn er in der Ebene mit 25 km/h nur mit Motor (ohne zu treten) fährt, benötigt er eine Motorleistung von (etwa) 150 W. Wie weit kommt er dann mit einer Akkuladung? Viel Erfolg!

5 Klassenstufe 10 Teil 1 Gemischte Aufgaben ohne Experiment 1. Jäger und Hund Ein Jäger begibt sich mit seinem Hund zur 3,42 km entfernten Jagdhütte. Beide starten gleichzeitig. Der Jäger geht mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 1,20 ms -1, der Hund läuft mit einer dreimal so großen Geschwindigkeit zur Hütte voraus und kehrt dort sofort zu seinem Herrn zurück. Er läuft so lange zwischen Hütte und Jäger hin und her, bis beide an der Hütte ankommen. Berechne, wie lange der Jäger zur Hütte braucht und welche Wegstrecke der Hund dabei zurückgelegt hat. 2. Signale am Himmel Daniela Düsentrieb hat eine neue Erfindung für Fallschirmspringer gemacht, mit der man im Fall die Höhe und die Geschwindigkeit bestimmen kann: Zweimal im Abstand von einer Sekunde sendet ihr Gerät Schallsignale aus, die an der Erde reflektiert und wieder vom Gerät aufgefangen werden. Zum Testen springt sie selbst. Sobald sie eine konstante Geschwindigkeit erreicht hat, schaltet sie ihr Gerät ein und erhält die beiden Schalllaufzeiten Δt 1 = 3,30s und Δt 2 = 3,05s. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 330m/s. Arbeite mit einem Zeit-Höhe-Diagramm (t-h-diagramm) und bestimme die Geschwindigkeit von Daniela sowie die Höhe, in der sie das erste Signal abgegeben hat, grafisch. 3. Straßenverkehr a) Ein voll beladener Pkw fährt die Strecke von Tiefental nach Sonnenhöhe mit der Geschwindigkeit 50 er den gleichen Weg mit 100. Auf dem Rückweg fährt. Mit welcher Durchschnittsgeschwindigkeit hat der Pkw den Gesamtweg zurückgelegt? b) Ein Motorradfahrer fährt in der Ebene 1 km mit 60 km/h. Nun kommt ein sehr steiler, kurvenreicher Berg mit einer 1 km langen Steigung, die er nur mit 30 km/h bewältigen kann. Wie schnell müsste er nach dem Gipfel den Berg herunterfahren (1 km langes Gefälle), um eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 60 km/h halten zu können? Begründe. (Die Geschwindigkeitswechsel seien als plötzlich angenommen.) 4. Kabelgraben Der Abteilungsleiter im Fernmeldeamt von Bad Einstein ist dem Herzinfarkt nahe. In dem 40 km langen, unterirdisch verlegten vieladrigen Kabel zum Nachbarort ist irgendwo zwischen der roten und der grünen Leitung ein Kurzschluss entstanden. Einen 40 km langen Graben auszuheben, um das Kabel nachzuprüfen, ist ganz schön viel Arbeit und ganz schön teuer. Voller Verzweiflung ruft der Abteilungsleiter seinen Freund Kommissar Kurzschluss von der Kriminalpolizei an. "Na, Jungs, nun macht euch mal nicht gleich in die Hose", sagt Kommissar Kurzschluss und schließt eine 24 V - Batterie und ein Amperemeter an die rote und grüne Leitung an. Für jede mm 2 Leitung gilt: A = 7 mm 2, Cu = 0,017. Das Amperemeter zeigt einen Strom von 19 ma an. m Wie weit ist den Kurzschluss von Bad Einstein entfernt?

6 Klassenstufe 10 Teil 2 Experimentelle Aufgabe Klassenstufe 10 Wenn ein Lichtstrahl schräg auf eine planparallele Glasplatte trifft, so wird er um die Strecke x parallel verschoben. In der nachfolgenden Abbildung ist das Prinzip dargestellt: x Abbildung nicht maßstäblich! Abbildung 1 In einem Experiment soll nun der Abstand x in Abhängigkeit vom Einfallswinkel untersucht werden. Dazu kann der folgende Stecknadelversuch durchgeführt werden. Legen Sie das beigelegte Arbeitsblatt auf die Unterlage und den Glaskörper flach auf das vorgesehene Feld. Zweckmäßigerweise befestigen Sie ihn mit einem Tesastreifen. Wir messen wie folgt: Auf jedem vorgegebenen Lichtstrahl des Arbeitsblattes werden nacheinander zwei Stecknadeln so eingestochen, dass sich die erste direkt an der Vorderfläche des Glaskörpers befindet und die zweite Stecknadel am Anfang des gezeichneten Lichtstrahles entsprechend der nachfolgenden Abbildung. Achten Sie darauf, dass die Stecknadeln senkrecht sind. Abbildung 2 Man peilt nun beide Stecknadeln so an, dass sie auf einer Linie liegen und sticht direkt hinter dem Glaskörper eine dritte Stecknadel ein, die durch den Glaskörper gesehen scheinbar in der gleichen Flucht liegt; d.h., man sieht nur die erste Stecknadel, die anderen beiden werden von ihr verdeckt. Wenn man den Glaskörper entfernt, kann man den Strahlenverlauf analog der Abbildung 1 zeichnen und den Abstand x messen. Führen Sie das Experiment für die fünf vorgegebenen Strahlen mit den zugehörigen Einfallswinkeln durch.

7 Lösen Sie folgende Aufgaben: - Zeichnen Sie sehr exakt die fünf Strahlenverläufe verschiedenfarbig durch den Glaskörper hindurch auf dem Arbeitsblatt. - Messen Sie die fünf Abstände x und notieren Sie die Ergebnisse in der Tabelle. - Schätzen Sie die Genauigkeit der Messungen von x und ab. Begründen Sie Ihre Entscheidung kurz. - Stellen Sie Ihre Messwerte x in Abhängigkeit von [ x = f( ) ] in einem Diagramm dar. Verwenden Sie das Millimeterpapier auf dieser Seite unten. - Interpretieren Sie Ihr erhaltenes Diagramm und geben Sie eine physikalische Erklärung für dieses Phänomen. Messungen: Nr. α in x in Grafische Auswertung: Viel Erfolg!