1. Physikschulaufgabe - mathe-physik

Gymnasium
1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
1.
Kräfte
a) Formuliere den Newtonschen Trägheitssatz.
b) Welche Angaben braucht man um eine wirkende Kraft genau festzulegen ?
2.
Pendel
Der Pendelkörper eines Fadenpendels wird zur Zeit t = 0s im rechten Umkehrpunkt
losgelassen. Nach 40,0 s hat er 20 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 25 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_A0052 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0052)
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Klasse 8
1.
Elektrische Schaltungen
Betrachte die Skizze Nr. 1 auf Blatt 2:
a) Welche Lampen leuchten, wenn nur die Schalter S2 und S3 geschlossen sind ?
b) Welche Lampen leuchten, wenn nur die Schalter S1 und S4 geschlossen sind ?
c) Welche Schalter müssen geschlossen sein, damit nur die Lampen L 2 und L3
leuchten ?
2.
Schwingungsvorgänge
Bei einem Pendel hat man für 20 volle Schwingungen eine Zeit von 28 s gemessen.
a) Berechne die Periodendauer und die Frequenz des Pendels !
b) Ermittle aus dem l - T - Diagramm (Skizze Nr. 2 auf Blatt 2) die Länge des Pendels !
c) Wo ist das schwingende Massestück nach 2,1 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 2). Dafür benötigen sie jeweils die Kraft von ca. 27 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 2 beachten !
GP_A0053 **** Lösungen 1 Seite (GP_L0053)
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Klasse 8
Skizze Nr. 1 zu Aufgabe 1
Skizze Nr. 2 zu Aufgabe 2
Skizze Nr. 3 zu Aufgabe 4
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Klasse 8
1.
Elektrischer Stromkreis
Welche Schalter muss man schließen, wenn …
a) … nur L 4 leuchten soll ?
b) … nur L1 leuchten soll ?
c) … nur L 2 und L3 leuchten sollen ?
d) … ein Kurzschluss entstehen soll ?
Hinweis: Der elektrische Widerstand jeder Lampe ist als sehr hoch anzunehmen.
Das heißt, wenn z.B. S2 geschlossen ist, fließt kein Strom über L1 sondern
nur noch über S2, und L1 leuchtet nicht.
2.
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 2 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 2 beachten !
GP_A0054 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0054)
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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
Dorfen
an
ab
57
15:34
Schwindegg
15:40
Weidenbach
72
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)
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Diese sehr anspruchsvolle
Schulaufgabe dürfte fast jeden
Schüler überfordern. Sie wurde
aber genau so im Jahre 2006
gestellt.
1.
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
Mit einem Flaschenzug (Wirkungsgrad 85%) soll eine Last von 82,6 kg 2,85 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 !
2.
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 20 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 = 0,90 N/ 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)
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Klasse 8
1.
Optik
Du bekommst eine Sammellinse mit dem Hinweis, die Brennweite beträgt 20 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 ?
2.
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
S1
zu
zu
zu
S2
zu
auf
auf
S3
zu
zu
auf
S4
zu
zu
zu
L1
L2
zu = Schalter geschlossen; auf = Schalter geöffnet
3.
Magnetismus
An Schnüren hängen 2 Metallplättchen. Von unten nähert sich ein Magnet. Was passiert
jeweils im Fall a) und b) ? Begründung mit Hilfe der Skizze !
a)
b)
Blatt 2 beachten !
GP_A0056 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0056)
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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, 0,25 s und 0,125 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 = 330 m / s . Flugdrache Godzilla sendet ein
Schallsignal aus; dieses wird an einem Hindernis (Wolkenkratzer) reflektiert und trifft
20 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
1.
Skizziere eine Schaltung aus einer Batterie und drei Glühlampen, von denen jede für
sich ein- bzw. ausgeschaltet werden soll.
2.
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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
1.
Lochkamera
Bei einer Lochkamera beträgt die Bildweite b = 4 cm und die Bildgröße ist aufgrund des
Films auf B = 3,2 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.
2.
Magnetfeld
Erläutere anhand einer Skizze, wie H. Ch. Oersted 1820 die magnetische Wirkung des
elektrischen Stroms nachgewiesen hat !
Blatt 2 und 3 beachten !
GP_A0058 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0058)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
3.
Elektrische Schaltung
a) L1 und L 2 sollen leuchten.
Gib 2 verschiedene Möglichkeiten an,
welche Schalter dazu in nebenstehendem Schaltkreis geschlossen
werden können !
Gib jeweils an, ob L 1 weiter leuchtet,
wenn L 2 durchbrennt !
b) Was kann passieren, wenn S1 und
zugleich S2 geschlossen werden ?
4.
Im Stadion
Sportlehrer Horst L. braucht aufgrund seiner unüberhörbaren Stimme für den 100 mLauf 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 Z1 von 0 bis 6 Sekunden und Z2 von 6 bis 12,5
Sekunden.
a) Bestimme für die Zeitintervalle Z 1 und Z 2 jeweils die mittlere Geschwindigkeit v1
bzw. v 2 .
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)
2 (3)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8
GP_A0058 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0058)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
Es darf mit g = 10 m2 gerechnet werden.
s
1.
Arbeitszeit: 1 Stunde
Herr B. will eine Kiste der Masse m = 140 kg eine Strecke der Länge s = 4,0 m
waagerecht am Boden entlang ziehen. µR = 0,20 und µH = 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 20 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 120 W erbringt?
2.
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 ( m 1 = 6,0 kg , m 2 = 5,0 kg ) werden zusammen um h = 20 m
hochgehoben. Berechne die verrichtete Hubarbeit ! Welche Masse m3 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 1,2 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein Quader ( m 1  800 g ) wird mit konstanter Geschwindigkeit über ein horizontales
Brett gezogen  H  0,80; R  0,50  .
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 2 hat der
zweite Quader, wenn eine Kraft F1  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!
2.
Eine Holzkiste ( FG  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  7,2 m ,
Normalkraft FN  5196 N , Hangabtriebskraft FH  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 WSpann  F  s berechnet werden?
H
R
Stahl – Stahl
0,20
0,060
Holz – Holz
0,60
0,40
Metall – Holz
0,60
0,30
Metall – Metall
0,30
0,070
Stoffpaar
GP_A0075 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0075)
1 (2)
Tabelle 1
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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 2
nach 3. Die Geschwindigkeit in 1 beträgt v1  120 km / h .
a) Die Höhe in 2 beträgt h2  48 m . Berechne die kinetische Energie des Wagens in 2.
b) Die Höhe in 3 beträgt h3  24 m . Kreuze richtige Aussagen an:
In 3 gilt:
Ekin  3   Ekin 1
Epot  3   1 Epot  2 
2
Ekin  3   Ekin  2 
Ekin  3   Ekin 1
Ekin  3   Ekin  2 
GP_A0075 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0075)
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Klasse 8 / G8
1.
Frank zieht einen beladenen Schlitten (Masse 150 kg) horizontal mit konstanter
Geschwindigkeit 120 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?
2.
Eine Feder wird mit der Kraft 7,44 N um 12 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 1  12 m an Höhe, auf dem ebenfalls flach ansteigenden Hang gewinnt er wieder
h 2  8 m 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  130 m , die Masse
des Läufers beträgt m  80 kg .
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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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.
2.
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 ) 12 cm über dem Boden befindet.
GP_A0077 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0077)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
3.
Ein 2,00 t schwerer Wagen (einschließlich Personen) einer Achterbahn wird über eine
Art Seilwinde innerhalb von 30,0 Sekunden auf eine Höhe von 28,0 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 2 = 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.
Beschleunigung
ist vorhanden
Keine
Beschleunigung
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 2 m in die Höhe geworfen.
GP_A0077 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0077)
2 (2)
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Klasse 8 / G8
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“ 26 m / s .
Berechne den Energieverlust in Prozent !
c) Gleich im Anschluss an die erste tiefste
Stelle folgt ein großer Looping mit einer Gesamthöhe von 20 m. Nach TÜVVorgaben 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 !
2.
Bei einem Handballspiel wirft ein Spieler auf das Tor. Dabei beschleunigt ein Spieler
den Ball ( m  450 g ) auf die Geschwindigkeit 102 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 2,2 t schwerer Lift (ohne Personen) eines Hochhauses wird mit einem Elektromotor
(Leistung 20 kW) betrieben. Bei einer Fahrt in den 7. Stock überwindet er einen
Höhenunterschied von 21 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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.
2.
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 72 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 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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 2) 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 72 km/h sind vier mal schlimmer als bei 36 km/h.
Die Unfallfolgen mit 72 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)
2 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Was ist ein „Kraftwandler“? Nenne drei Beispiele!
2.
Ein Container mit einer Gesamtmasse von 20 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 (62 kg) trägt einen 10 kg schweren Koffer aus dem Erdgeschoss in den zweiten
Stock. Die durchschnittliche Etagenhöhe in dem Haus beträgt 2,80 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 36 km ins Wasser ein.
h
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  126 km / 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  16 kN . Auto und Fahrer haben zusammen eine
Masse von m  1450 kg .
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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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?
2.
Der geübte Bergsteiger Franz Obermeier aus Tirol (Gesamtmasse 85 kg) kann einige
Stunden lang eine Leistung von ca. 120 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 (2 lose
und 2 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 2000 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 200 g) wird mit einer Kraft von 25 N angestoßen.
Welche Beschleunigung erfährt die Kugel bei diesem Stoß?
GP_A0081 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0081)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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 0,2 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?
2.
Du schießt einen U-förmig gebogenen Nagel der Masse 20 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 1,2 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_A0082 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0082)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
Verwende:
1.
g  9,81m / s2 , 1N  1kg m / s2
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 0,25 beträgt.
b) Welche Gewichtskraft G1
ist hierfür nötig, wenn
die Klötze übereinander
liegen (A) und welche
Kraft G2 ist hierfür nötig,
wenn die Klötze hintereinander
liegen (B)?
c) Welche Arbeit verrichtet das Gewichtsstück G1 an den Klötzen, wenn es sich bei
dem Ziehvorgang um 1,5 m senkt?
2.
Mit einem Flaschenzug (siehe rechts) wird ein
Körper G mit der Gewichtskraft FG  32 N
hoch gehoben. Das Gewicht der Verbindungsstange ist vernachlässigbar, das Gewicht einer
Rolle beträgt GR  3,0 N .
a) Berechne die Beträge F1 und F2
der Haltekräfte.
b) Um wie viel wird das Gewicht G
gehoben, wenn nur mit F2 um
40 cm gezogen wird?
3.
Eine Kugel der Masse m  40 g liegt vor einer um
 s  5,0 cm gespannten Feder ( D  6,0 N / 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Energie
Eine Kugel rollt auf der skizzierten Bahn vom
Punkt A  hA  27 m  hinunter zu B, dann
durch das Looping über C und B und trifft
im Punkt D auf eine Feder der Härte
12 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 hC , 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  13 cm
zusammengedrückt wird?
2.
Leistung
Ein Bergsteiger möchte die Alpspitze besteigen. Von Garmisch-Partenkirchen (760 m)
fährt er mit der Seilbahn zum Kreuzeckhaus (1652 m), von dort geht er zu Fuß weiter
bis zum Gipfel der Alpspitze (2628) m. Die Höhenangaben beziehen sich auf die Höhe
über dem Meeresspiegel.
Hinweis: Reibung wird bei diesen Aufgaben nicht berücksichtigt.
a) Die Seilbahn braucht 12 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 82 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) 0,32 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 (2).
b) Wie weit muss ein einzelner Holzwürfel gezogen werden, wenn die hierbei
verrichtete Arbeit 340 J beträgt?
GP_A0084 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0084)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Reibung und Flaschenzug
Ein Metallkörper K der Masse
m  500 kg 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 FR , wenn die Reibungszahl   0,15 beträgt?
Berechne damit die Zugkraft FZ !
b) Der Körper wird s  3 m bewegt. Berechne die Reibungsarbeit WR !
c) Weshalb muss man zu Beginn der Bewegung mit etwas stärkerer Kraft am
Seilende anziehen?
2.
Pendel
Ein Fadenpendel (Masse des Pendels: m = 150 g)
wird im Punkt 1 losgelassen. Es befindet sich um
h 1  8,00 cm über der Ruhelage.
a) Zeige durch Rechnung, dass die
Ausgangsenergie des Systems
E 1  118 mJ beträgt.
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 2 nur mehr die Höhe h2  7,40 cm . Wie viel Prozent hat sich die
Ausgangsenergie bei der Schwingung von 1 nach 2 verringert?
3.
Katapult
In der Ruhelage (Pos. 1) ist die Feder D  20 N/ cm  entspannt. Das Gewicht des
Hebels sei vernachlässigbar. Das Katapult wird nun so weit gespannt (Pos. 2), dass
die Feder um  s  15 cm gedehnt wird.
a) Welche Kräfte wirken auf beiden Seiten des Hebels, wenn das Katapult
gespannt ist?
b) Welche Höhe erreicht ein 200 g schweres Geschoss maximal, wenn beim
Loslassen die Spannenergie vollständig in Lageenergie umgesetzt wird?
GP_A0085 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0085)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Bei einem Fahrrad tritt man mit der senkrechten Kraft FP = 240 N auf das Pedal der
waagerecht stehenden Tretkurbel, die fest mit dem vorderen Kettenrad verbunden ist.
Dadurch wirkt eine Kraft FK 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:
rP = 20 cm, rK = 10 cm, rR = 5 cm ; Die Zeichnung ist nicht maßstäblich!
a) Berechne das Pedalmoment (Drehmoment) in Nm an der Tretkurbelwelle.
b) Berechne die Zugkraft FK in der Kette.
c) Wie groß ist das Drehmoment am Ritzel des Hinterrads?
2.
Ein PKW mit der Masse 1,2 t fährt mit der konstanten Geschwindigkeit v = 72 km / 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 2a) beträgt?
3.
Ein LKW mit der Masse 8,00 t prallt mit 54 km / 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 11,2 km langen Anstieg die Zugspitze (2963 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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:
2.
m Schlitten  10 kg ;
m Knut  85 kg ;
m Gans  20 kg ;
haft  0,10;
 gleit  0,040 ;
g  10 m / s2
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: W1 A  W 2 C . 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 12 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Mit einem Flaschenzug wird ein Körper der Masse m K  1,5 t um die Höhe h  3,0 m
gehoben. Die lose Flasche einschließlich Haken hat ein Gewicht G F  0,20 kN , der
Wirkungsgrad des Flaschenzugs beträgt 85 %.
a) Berechne die gesamte aufzuwendende Arbeit.
b) Berechne die Reibungsarbeit, die beim Hochheben verrichtet wird.
2.
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 12 Kilometer pro Stunde läuft?
3.
Ein Fadenpendel der Länge 1,0 m wird um 20 cm
angehoben und dann losgelassen.
a) Beschreibe die Energieumwandlungen der
Pendelmasse ( m  100 g ) 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  40 kg )
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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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?
2.
Ein Sack (m = 45 kg) wird 2,6 m hoch gezogen.
a) Welche Hubarbeit ist dazu nötig?
b) Zieht man den Sack aber über eine 12,5 m lange Rampe hoch, muss eine Arbeit
von 1800 J aufgewendet werden. Welche mittlere Zugkraft ist nötig?
c) Aus dem Ergebnis von 2 a) und der Angabe von 2 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 FN der Gewichtskraft FG
gleichgesetzt werden.)
3.
In einem Flusskraftwerk wird die Bewegungsenergie des mit 3,6 m / s strömenden
Wassers ein elektrische Energie umgewandelt.
a) Wie groß ist die Bewegungsenergie von 1,0 m3 Wasser ? (  Wasser  1,0 kg / Liter )
b) Wie groß ist die mechanische Leistung des Wassers, wenn pro Sekunde 25 m3
durch die Turbinen strömen?
c) Welche elektrische Leistung erbringt das Kraftwerk, wenn der Wirkungsgrad der
Energieumsetzung etwa 74% beträgt?
4.
Eine Kugel ( m  0,2 kg ) startet bei Position A und rollt die Bahn zunächst reibungsfrei
hinab. Im Punkt B hat sie die Geschwindigkeit v  5 m / s . Rechne mit g  10 m / s2 .
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)
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Klasse 8 / G8
1.
Die Seilbahn auf den Predigtstuhl in Bad Reichenhall
trägt in 8,5 Minuten eine Kabine (145 kg) und sechs
Personen (je 72 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.
2.
Ulli ist stolz, dass er gestern die Fahrprüfung bestanden hat. Mit seinem PKW
( m  1,2 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 27,5 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  2 kg ) wird in einer Halfpipe
aus der Höhe h  1,8 m 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 2 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 2?
GP_A0090 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0090)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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.
2. Mit einem Kran wird ein Eisenträger der Masse 400 kg auf eine Höhe von 12 m gebracht.
a) Berechne die für das Heben des Eisenträgers notwendige Arbeit.
b) Die lose Flasche des Flaschenzugs hat die Masse 20 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 250 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 200 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)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
An eine senkrecht aufgehängte Feder wird im
ungespannten Zustand ein Gewichtsstück der
Masse m  200 g gehängt. Dadurch verlängert
sich die Feder um s 1  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?
2.
Eine Last mit 120 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  8,0 cm , RZ1  15 cm , R2  5,0 cm , RZ2  20 cm
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.
m 1  60 kg ; 1  0,40 ; m 2  20 kg ; 2  0,50 .
a) Bei welcher Anordnung ist die nötige Zugkraft FZ
am geringsten?
b) Welche Anordnung erfordert die wenigste Arbeit,
unter Berücksichtigung der Hubarbeit?
GP_A0092 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0092)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
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
2.
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 a3 so, dass der Hebel im Gleichgewicht ist.
m 1 = 100 g, m 2 = 250 g, m 3 = 275 g, a 1 = 12 cm, a 2 = 4 cm
b) Die Masse m3 wird durch eine Kraft F3 ersetzt, die senkrecht nach unten wirkt.
Berechne F3 . (Der Hebel soll natürlich weiter im Gleichgewicht sein.)
c) Nun soll die Kraft nicht mehr senkrecht sondern schräg nach unten wirken (siehe
Bild). Ist F4 nun größer, kleiner oder gleich der Kraft F3 , wenn der Hebel weiter im
Gleichgewicht ist ? Begründe deine Antwort !
Blatt 2 beachten !
GP_A0093 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0093)
1 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
4.
Im Folgenden wird die kinetische Energie eines PKW mit der Masse 1,4 Tonnen
untersucht.
a) Berechne die kinetische Energie dieses PKW bei einer Geschwindigkeit von
48 km/h.
b) Wie groß ist die kinetische Energie dieses PKW bei der doppelten Geschwindigkeit
von 96 km/h ?
c) Wie groß ist die vom Motor zu verrichtende Beschleunigungsarbeit, wenn dieser
PKW während eines Überholvorgangs seine Geschwindigkeit von 48 km/h auf
96 km/h erhöht ?
5.
Eine Stahlkugel der Masse 2,5 kg wird in der gezeichneten Lage von einem ortsfesten
Elektromagneten gehalten. Der Strom wird nun abgeschaltet und die Kugel rollt den
Abhang hinunter. Alle Reibungseffekte sollen so gering sein, dass sie im Folgenden
vernachlässigt werden dürfen.
a) Berechne die Geschwindigkeit v1 , mit welcher die Kugel an der tiefsten Stelle der
Bahn ankommt.
b) Bestimme die Geschwindigkeit v 2 , der Kugel in der Höhe h2 .
GP_A0093 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0093)
2 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Neben den bekannten mechanischen Energieformen gibt es noch andere Energiearten.
Nenne drei weitere nichtmechanische Energiearten und gib jeweils ein Beispiel an, wo
diese Energieart im Alltag anzutreffen ist.
Energieart
2.
Beispiel aus dem Alltag
Mit dem abgebildeten Flaschenzug soll eine Last mit
der Masse m = 30 kg hochgezogen werden.
Die Reibung und die Masse von losen Rollen und
Seil sollen vernachlässigt werden.
a) Wie viele Meter Seil muss man ziehen, wenn
die Last um 2,5 m hochgezogen werden soll ?
b) Berechne die benötigte Zugkraft FZ ?
3.
Ein Wagen mit der Gewichtskraft 500 N soll 3,5 m hochgehoben werden.
a) Wie groß ist die dafür aufzubringende Hubarbeit ?
b) Man kann den Wagen auch über die gezeichnete schiefe Ebene der Länge 8 m
hochziehen. (Das Bild ist nicht maßstäblich !)
Die Reibung darf vernachlässigt werden.
Wie groß ist die dafür benötigte Zugkraft ? Begründe deine Antwort mit der
„goldenen Regel der Mechanik“.
Blatt 2 beachten !
GP_A0094 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0094)
1 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
4.
Uwe spielt Tennis und hat einen harten Aufschlag. Beim Aufschlag erreicht Uwes
Tennisball (Masse 57 g) bis zu 90 km/h.
Uwes Vater ist Sport- und Physik-Lehrer und sehr stolz auf seinen Sohn. Er behauptet,
dass der Tennisball bei Uwes Aufschlag mehr als 15 Joule an kinetischer Energie
erhält ! Prüfe mit einer Rechnung, ob Uwes Vater Recht hat !
5.
Klaus will einen schweren Schrank mit Hilfe einer Stange an einer Seite etwas anheben
und dabei möglichst wenig Kraft aufwenden. Er schätzt, dass er ca. 150 kg anheben
muss. Die Zeichnung ist maßstäblich.
a) Trage in die Zeichnung den Angriffspunkt und die Richtung der Kraft FKlaus von Klaus
ein.
b) Bestimme mit Hilfe von Messungen und Berechnungen in etwa die
Größe der Kraft FKlaus , die Klaus aufbringen muss.
6.
Eine Feder der Härte 5,8 N wird um 46 mm zusammengedrückt.
cm
a) Berechne die nun in der Feder gespeicherte Spannenergie !
b) Beim Entspannen schießt diese Feder einen Wagen der Masse m = 175 g weg.
Mit welcher Geschwindigkeit v1 bewegt sich der Wagen vor der Rampe (Höhe 0)?
Reibungseffekte dürfen vernachlässigt werden !
c) Der Wagen rollt die Anhöhe mit h2 = 6 cm hinauf. Mit welcher Geschwindigkeit v 2
erreicht der Wagen diese Anhöhe ?
GP_A0094 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0094)
2 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
a) Wann hat ein Körper potenzielle Energie ?
b) Wann hat ein Körper kinetische Energie ?
c) Wann hat ein Körper Spannenergie ?
d) Wie lautet der Energieerhaltungssatz ?
2.
Andreas ist Bogenschütze und schießt mit seinem Bogen einen Pfeil senkrecht nach
oben. Stelle dar, was bei diesem Vorgang bis zum Erreichen des höchsten Punktes
bezüglich der Arbeit und Energie geschieht.
3.
Onkel Alfred wohnt im 2. Stock eines Wohnhauses. Als es brennt, nimmt er (80 kg)
seinen Hund (4 kg) in den Arm und springt aus 6 m Höhe in ein Sprungkissen, das die
Feuerwehr vor dem Haus aufgespannt hat. Es darf davon ausgegangen werden, dass
für das Sprungkissen das Hookesche Gesetz gilt.
Wie stark wird das Sprungkissen (D = 18 kN
eingedrückt ?
m )
4.
In einer Autozeitschrift findet sich ein Vergleich der Bremswirkung von Sommer- und
Winterreifen bei Temperaturen unter 5°C und nasser Fahrbahn für ein Fahrzeug der
Masse 1,3 t. Mit Sommerreifen ist der Bremsweg 52,6 m und für Winterreifen ist er mit
48,4 m angegeben. Die Bremswege beziehen sich auf eine Geschwindigkeit von
80 km/h.
Wie groß ist die Bremskraft des mit Sommerreifen ausgestatteten Autos ?
5.
Auf der Raumstation ISS wird von einer
Astronautin ein Werkzeugkoffer zu seinem
Einsatzort gebracht. Im nebenstehenden
Diagramm ist dabei die Kraft auf den Koffer
während des Transports dargestellt.
Eine negative Kraft im Diagramm bedeutet,
dass die Kraft entgegengesetzt zur
Bewegungsrichtung zeigt. Reibungsvorgänge
werden nicht berücksichtigt.
a) Beschreibe für jeden der fünf Streckenabschnitte die wirkende Kraft.
b) Beschreibe die Bewegung des Koffers in
den einzelnen Streckenabschnitten möglichst genau.
c) Auf welchem Streckenabschnitt ändert sich die kinetische Energie des Koffers
am stärksten ?
Berechne den Wert dieser Energieänderung.
GP_A0095 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0095)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Der 65 kg schwere Andreas steht mit seinem Rennrad (9 kg) am Start eines
Radrennens. Er beschleunigt aus dem Stand heraus auf eine Geschwindigkeit von
36 km/h. Die Beschleunigungsstrecke ist 50 m lang.
a) Wie groß ist die beim Beschleunigen verrichtete Arbeit ?
b) Welche mittlere Kraft muß Andreas zum Beschleunigen aufbringen ?
c) Welche Arten von Arbeit werden von Andreas dabei verrichtet ?
2.
Ein Stein der Masse 82 g wird mit Hilfe einer gespannten Feder (D = 3,5 N/ cm )
senkrecht nach oben geschossen und erreicht so eine Höhe von 32,4 m.
Mit welcher Geschwindigkeit trifft der Stein beim Herunterfallen auf den Boden ?
Um wie viel Zentimeter wurde vor dem Abschießen die Feder zusammengedrückt ?
Entwickle in beiden Fällen zunächst die Lösungsformel !
3.
Gib an, ob folgende Aussage wahr (w) oder falsch (f) ist, und erkläre bzw. berichtige
möglichst genau:
„Wer für die gleiche Arbeit doppelt so viel Zeit benötigt wie sein Mitarbeiter, der leistet
beim Verrichten dieser Arbeit viermal so viel wie der Mitarbeiter.“
4.
Zeichne einen Flaschenzug mit 2 festen und 2 losen Rollen. Ein Eisenträger soll
damit um 40 cm hochgezogen werden.
Um welche Strecke muss man am Seilende ziehen ? Nachvollziehbare und
vollständige Begründung !
5.
Zwei PKW fahren in einem Versuch mit gleicher Geschwindigkeit nebeneinander her
und werden ab einem bestimmten Zeitpunkt mit gleicher (konstanter) Bremskraft bis
zum Stillstand abgebremst. Ist bei beiden der Bremsweg in allen Fällen gleich groß
oder nicht ? Begründung !
GP_A0096 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0096)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
a) Nenne drei nicht mechanische Energieformen mit jeweils einem Beispiel.
b) Was versteht man unter der „Goldenen Regel der Mechanik“ ?
c) Welche drei Größen legen eine Kraft fest ?
2.
Die nebenstehende Anordnung soll im Gleichgewicht bleiben.
Reibungseffekte werden nicht berücksichtigt.
Gegebene Maße: a1 = 20 cm ; a2 = 60 cm
Massen: G1 = 8 kg
Die beiden Rollen wiegen G2 = G3 = 1,4 kg
a) Wie groß sind die Haltekräfte in den
Punkten A und B ?
b) Wie groß muss F gewählt werden ?
3.
Beschreibe kurz den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit
und Energie und gib die Einheit an.
4.
Lachse überwinden auf der Wanderung zu ihren Laichplätzen kleinere Wasserfälle.
a) Wie hoch kann ein Lachs von 2 kg Gewicht springen, wenn er mit der
Geschwindigkeit 8 m / s senkrecht aus dem Wasser schießt ?
Welche kinetische Energie besitzt er dabei ?
b) Kommt ein etwas schwererer Lachs mit der gleichen Absprunggeschwindigkeit
genauso hoch ? Begründe Deine Antwort !
c) Ein besonders durchtrainierter Lachs kommt auf die doppelte
Absprunggeschwindigkeit im Vergleich mit seinen anderen Artgenossen. Welche
Höhe erreicht er relativ zu der seiner Artverwandten ? Begründe Deine Antwort !
5.
Zwei Kugeln (Kugel 1: m 1 = 800 g , Kugel 2: m 2 = 2 m 1 ) werden von einem Turm
fallengelassen; die Fallhöhe beträgt 15 m.
a) Welche Höhenenergie besitzt Kugel 2 auf dem Turm ?
b) Beide Kugeln werden nun gleichzeitig von der Spitze des Turmes fallengelassen.
Beschreibe die Energieumwandlungen während des Fallens vom Loslassen bis zum
Aufprall ? Kommen die Kugeln zeitversetzt an ? Begründe Deine Antwort.
GP_A0097 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0097)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein quaderförmiger Eisenblock der Masse 1,3 Tonnen hat eine Temperatur von 900 °C
und wird allmählich auf 20 °C gekühlt.
g
Beachte: c Eisen = 0,45 kJ ; Dichte von Eisen bei 20 °C: ρEisen = 7,8
kg ⋅ °C
cm3
a) Fülle die Lücken bei der physikalischen Beschreibung dieses Vorgangs:
Die innere Energie (damit ist
gemeint) des Quaders ändert sich: Sie
Ein Maß für die innere Energie ist
des Eisenblocks.
Im Teilchenmodell bedeutet das Abkühlen, dass
Bei dem Vorgang wird nach und nach
an die Umgebung abgegeben.
b) Erkläre die Bedeutung der Größe c Eisen = 0,45 kJ in einem Satz und berechne
kg ⋅ °C
die Änderung der inneren Energie des Eisenblocks.
c) Wie hoch ist der Quader nach dem Abkühlen, wenn er dann 12 dm lang und
6,2 dm breit ist ?
2.
Timo erzählt beim Mittagessen: „Das war heute echt interessant im Physikunterricht !
Wir haben viele Versuche gesehen und gelernt, dass sich alle Körper beim Erwärmen
ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen !“ Darauf meint sein Vater: „Ich
glaube, du hast nicht richtig aufgepasst !“
Erkläre kurz (ein bis zwei Sätze genügen !), was sein Vater wohl damit meinte !
3.
Ein Auto der Masse 950 kg beschleunigt in 11,2 Sekunden aus dem Stand auf die
Geschwindigkeit 90 km/h.
a) Berechne die verrichtete Beschleunigungsarbeit.
b) Wie groß ist die (mittlere) Beschleunigung ?
c) Bestimme die Leistung in kW.
d) Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs liegt bei 32%. Wie groß ist die Arbeit, die
durch die Verbrennung des Benzins aufgewendet werden muss ?
Blatt 2 beachten !
GP_A0098 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0098)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
4.
Beachte: Bei den Aufgabenteilen a), b) und c) wird die Reibung vernachlässigt.
Ein Spielzeugauto durchläuft die skizzierte Bahn von S über A und B nach C der
Spielzeug-Achterbahn.
Dabei wird es vom Startpunkt S zunächst mit einem Federkatapult zum Punkt A
katapultiert, so dass der Wagen im Punkt A für einen Moment die Geschwindigkeit
null besitzt.
a) Nenne die zwischen S über A und B nach C auftretenden Energieformen und gib
an, in welchen Punkten die genannten Energien jeweils maximal bzw. minimal sind.
b) Ein zweites Auto mit vierfacher Masse des ersten Autos wird nun ebenfalls zum
Punkt A katapultiert. Wiederum gerade so, dass die Geschwindigkeit im Punkt A
Null ist.
Wie ändert sich die Geschwindigkeit dieses zweiten Autos im Punkt B (verglichen
mit der Geschwindigkeit des ersten Autos in B) ? Begründe !
c) Die Schraubenfeder des Federkatapults besitzt die Federhärte D = 650 N .
m
Wie weit muss die Feder mindestens zusammengedrückt werden, damit ein
Spielzeugauto der Masse 150 g zum Punkt A katapultiert wird ?
d) In Wirklichkeit stellt man fest, dass der Wagen auf seiner Fahrt Energie „verliert“.
Warum ist dies kein Widerspruch zu der Tatsache, dass Energie eine
Erhaltungsgröße ist ?
GP_A0098 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0098)
2 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein Rennrodler fährt eine Bahn hinab und erreicht unten mit 108 km/h die Ziellinie.
Die Masse von Fahrer und Schlitten ergibt zusammen 120 kg. Reibungseffekte
dürfen vernachläsigt werden.
a) Zeige durch eine Berechnung, dass die kinetische Energie des Schlittens bei der
Zieldurchfahrt 54 kJ beträgt.
b) Bestimme den Höhenunterschied zwischen dem Start und dem Ziel der Bahn.
2.
Ein Trampolinspringer springt von A
über das Trampolin nach B.
a) Beschreibe die verschiedenen
Energieumwandlungen des Sprunges.
b) Die Höhenenergie E H des Springers
im Punkt A sei dir bekannt.
Gehe außerdem davon aus, dass für
das Trampolin das Hooke‘sche Gesetz gilt.
Gib nun eine geeignete Formel zur
Berechnung der maximalen Ausdehnung
des Trampolins an.
3.
Eine elektrische Glühbirne ( Pel = 40 W ) hat einen Wirkungsgrad von η = 2,4% .
Wie viel Energie wird pro Minute tatsächlich in Lichtenergie umgewandelt ?
4.
Was versteht man in der Physik
a) unter Energie ?
b) unter mechanischer Arbeit ? Nenne vier Arten mechanischer Arbeit.
5.
a) Was versteht man unter innerer Energie eines Körpers ?.
b) Auf welche Arten kann man die innere Energie eines Körpers erhöhen ?
c) Wie nennt man den Zusammenhang zwischen der Änderung der inneren Energie,
der dabei verrichteten Arbeit und abgegebenen bzw. zugeführten Wärme ?
Beschreibe mit Worten und als Formel.
GP_A0099 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0099)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Der normal gewichtige Robert (800 N) und der etwas schwerere Franz (1150 N) und die
noch kleine und leichte Martina (400 N) treffen sich zum Wippen. Robert setzt sich ganz
außen hin, sein Hebelarm beträgt 2,5 m. Franz kennt sein Problem und setzt sich schon
mal weiter nach vorne, nämlich 2,0 m vom Drehpunkt entfernt.
Wo muss Martina Platz nehmen, damit ein entspanntes Wippen möglich ist, d. h. dass
die Wippe vor dem Anstoßen im Gleichgewicht ist ?
2.
Erkläre ausreichend genau die physikalische Aussage, die mit der
„Goldenen Regel der Mechanik“ ausgedrückt werden soll.
Die Erklärung soll mit Hilfe der Graphik zu dieser Aufgabe durchgeführt werden !
3.
Du willst einen 120 g schweren Schneeball an die Spitze eines 9,0 m hohen
Fahnenmastes werfen.
Welche Abwurfgeschwindigkeit ist dafür erforderlich ? (Der Wurf soll fast senkrecht
erfolgen; Das Ergebnis soll in der Einheit km angegeben werden !)
h
4.
Stabhochsprung ist etwas für Artisten unter den Leichtathleten. Bei dem komplizierten
Bewegungsvorgang spielen verschiedene Energieformen eine Rolle. Beschreibe in
ganzen Sätzen die Energieumwandlungen, die in den fünf Phasen des Sprungs
stattfinden:
Phase 1: Anlauf nehmen
Phase 2: vom Boden abspringen und den Stab biegen
Phase 3: mit dem Hochsprungstab nach oben ziehen bis zum höchsten Punkt über
der Latte
Phase 4: nach unten fallen
Phase 5: in der Matte auftreffen
GP_A0100 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0100)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein Bergsteiger (Masse 85 kg) mit 10 kg Ausrüstung bewältigt einen Höhenunterschied
von 850 m in 4,5 Stunden.
Berechne die von ihm verrichtete Hubarbeit und seine physikalische Leistung.
2.
Eine Stahlkugel lässt man aus einer
Höhe h reibungsfrei hinabrollen.
Unten stößt die Kugel gegen einen
Holzklotz.
Daraufhin kann der Holzklotz einen
bestimmten Weg s bis zum
Stillstand zurücklegen.
a) Gib die auftretenden Energieumwandlungen an.
b) Von welcher Höhe muss die Kugel der Masse 200 g losgelassen werden, damit sie
beim Aufprall auf den Holzklotz die Geschwindigkeit 3,6 m/s besitzt ?
c) Der zu Beginn beschriebene Vorgang erfährt jetzt eine Veränderung:
Der Holzklotz soll reibungsfrei (z. B. auf idealem Glatteis) die Wegstrecke x
zurücklegen und am Ende der Wegstrecke auf eine entspannte Feder treffen. Dabei
kann der Holzklotz die Feder um die Strecke ∆s zusammenstauchen.
Begründe, ob folgende Aussagen zutreffen:
I)
„Die Spannenergie der gestauchten Feder ist zur Anfangshöhe h der Kugel
direkt proportional.“
II) „Die Masse m der Kugel ist zur Federstauchung ∆s direkt proportional.“
3.
Wie groß ist etwa der Wirkungsgrad einer Glühbirne ?
Gib eine anschauliche Erklärung in deiner Antwort.
4.
a) Was besagt die „Goldene Regel der Mechanik“ ?
b) Herr Müller muss ein 25 kg-Bierfass auf die Ladefläche eines LKW schaffen.
Er hat zwei Möglichkeiten. Entweder hebt er das Fass direkt hinauf (Höhe der
Ladefläche 1,2 m) oder er rollt das Fass ein 4,0 m langes Brett hinauf.
Reibung wird vernachlässigt.
Welche Arbeit muss Herr Müller in beiden Fällen aufwenden ?
5.
a) Was versteht man unter der inneren Energie eines Körpers ?
b) Woran erkennt man, dass die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen eines Körpers
zunimmt oder abnimmt ?
GP_A0101 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0101)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein 60 g schweres Spielzeugauto soll wie in der Skizze mit Hilfe eines „Federkatapults“
(zusammengedrückte Feder) waagerecht abgeschossen werden und dann über einen
Hügel fahren. Bei den nun folgenden Überlegungen und Berechnungen kann man alle
auftretenden Reibungskräfte vernachlässigen !
a) Welche Spannenergie steckt in der Feder, wenn diese die Federhärte D = 7,5 N/cm
besitzt und um 2,8 cm zusammengedrückt wurde ?
b) Wie schnell fährt das Auto am Punkt T, nachdem es die Feder verlassen hat ?
c) Schafft es das Auto über den 40 cm hohen Hügel zu fahren ? (Rechnung !)
d) Wenn ja, wie schnell ist dann das Fahrzeug im Punkt U nach dem Hügel ?
(Begründung !)
2.
Ein 55 kg schwerer Fahrradfahrer fährt mit seinem Moutainbike (16 kg schwer).
Sein Tacho zeigt 33 km/h an, als er eine Vollbremsung hinlegen muss, weil ihm ein
Kind vor das Rad läuft. Er kommt nach 8,5 m gerade so zum Stehen.
Wie groß war die Bremskraft ?
(Setze voraus, dass diese Bremskraft während des Bremsens konstant war.)
3.
Was versteht man unter dem Energieerhaltungssatz ?
4.
In einem Roman stand, dass Engländer gerne einige Tropfen Milch in den Tee geben
ohne umzurühren. Gibt es einen Unterschied, ob man die Milch in lauwarmen oder in
heißen Tee gibt ? Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells.
5.
Erläutere, was die Kelvin-Skala ist.
6.
Eddi behauptet: „Wirft man einen heißen Stein der Temperatur 100°C in die 20°C
warme Suppe, so ist die Suppe hinterher 60°C warm. Toni sagt: „So ein Quatsch !“.
Wer hat Recht und warum ?
GP_A0102 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0102)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Auf einer Bergwanderung wählen alle - bis auf eine gut trainierte Person - einen
allmählich ansteigenden kurvigen Weg. Der Sportler entscheidet sich für eine sehr steile
Abkürzung.
a) Wer hat den längeren Weg, wer braucht die größere Kraft ?
b) Formuliere die Goldene Regel der Mechanik und erläutere Sie an diesem Beispiel.
2.
Eine Kugel wird im höchsten Punkt der folgenden Kugelbahn losgelassen. Mit welcher
Geschwindigkeit kommt die Kugel am Ende der Kugelbahn an ?
Reibung wird hier vernachlässigt.
3.
Ein Schlitten wird nahezu reibungsfrei
auf einer (waagrechten) Eisfläche
geradeaus gezogen.
Dabei wurde das folgende
Weg-Kraft-Diagramm erstellt.
Beschreibe die Bewegung des Schlittens.
4.
Die Leistung einer Pumpe beträgt 0,11 kW. Sie soll verwendet werden, um aus einer
5 m tiefen Baugrube 2000 l Wasser herauszupumpen.
a) Wie lange dauert dieser Vorgang, wenn man davon ausgeht, dass die gesamte
elektrische Energie der Pumpe genutzt werden kann ?
b) Wie lange dauert der Vorgang, wenn der Wirkungsgrad der Pumpe 25% beträgt ?
5.
Ein Auto fährt ungebremst mit 90 km / h gegen eine Betonmauer.
Aus welcher Höhe müsste es zum Vergleich frei herabfallen, damit dieselbe
Verformungs-Energie auf das Auto einwirkt.
GP_A0103 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0103)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Die Durchschnittsgeschwindigkeit einer Radfahrergruppe, die von Dachau ins 70 km
entfernte Donauwörth fährt, beträgt 14 km / h . Unterwegs werden zwei Pausen von
45 Minuten und 15 Minuten eingelegt.
Wie lang dauerte die Fahrradtour insgesamt ?
2.
Georg kann 300 m in 70 Sekunden laufen, während Christine für 200 m 60 Sekunden
benötigt. Wer von den beiden läuft schneller, wenn eine konstante Geschwindigkeit
angenommen wird ?
3.
Ein Wagen der Masse 80 kg wird mit der konstanten Kraft 400 N beschleunigt.
Berechne die Geschwindigkeit des Wagens, die er nach 1 Sekunde erreicht hat.
4.
Die Karrosserie eines Busses ist ohne Fahrgäste 45 cm von der Fahrbahn entfernt.
Steigen jedoch 12 Fahrgäste von durchschnittlich jeweils 65 kg in den Bus ein, so
verringert sich der Abstand zwischen Karrosserie und Fahrbahn um 4 cm.
Berechne die Federkonstante der Federn, die den Bus abstützen. An jedem der vier
Räder sitzt eine dieser Federn.
5.
Eine Feder wird durch Anhängen von Massestücken zu je 20 g gedehnt. Man erhält
dabei folgende Wertetabelle:
Anzahl der
Massestücke
Länge der
Feder in cm
0
1
2
3
4
6
8
10
12
7,2
7,5
7,8
8,1
8,4
9,0
9,6
10,8
12,2
a) Erstelle aus der Angabe eine F − ∆s − Tabelle und werte sie zeichnerisch und
rechnerisch aus.
b) Kennzeichne mit grüner Farbe im Diagramm den Bereich, in dem das Hookesche
Gesetz gültig ist.
6.
a) Eine 25 cm lange Feder wird durch eine Kraft F1 = 3,0 N um 7,5 cm gedehnt.
Bestimme die Federkonstante D1 der Feder 1.
b) Eine zweite Feder, ebenfalls 25 cm lang, besitzt die Federkonstante D2 = 1,2 N / cm .
Innerhalb des Hooke’schen Gesetzes wird die Feder 2 durch eine Kraft F2 = 2,0 N
gedehnt. Welchen Betrag hat die Dehnung ∆s2 ?
c) Feder 1 und Feder 2 werden nun aneinandergehängt; die Kombination beider
Federn wird wiederum mit der Kraft F2 = 2,0 N belastet.
Berechne die Federkonstante des Gesamtsystems.
Blatt 2 beachten !
GP_A0104 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0104)
1 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
d) Feder 2 soll durch eine Kraft F2 auf das 5 - fache ihrer ursprünglichen Länge
gedehnt werden.
Ermittle durch Rechnung, welchen Betrag F2 dazu annehmen muss.
Erkläre, weshalb dieses Ergebnis nur theoretisch, aber nicht praktisch gilt.
7.
Im Rahmen einer geologischen Untersuchung soll die Gesteinsart eines unregelmäßig
geformten Steinbrockens untersucht werden.
a) Beschreibe ein Verfahren, mit dem das Volumen des Steinbrockens möglichst
genau bestimmt werden kann.
b) Das Volumen wird mit 11,2 cm3 bestimmt, die Masse beträgt 28 g.
Um welche Gesteinsart handelt es sich vermutlich (siehe Tabelle unten) ?
Konstanten: ρBasalt = 3,0
g
g
g
g
; ρGranit = 2,8
; pBeton = 2,0
; ρKalkstein = 2,5
3
3
3
cm
cm
cm
cm3
GP_A0104 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0104)
2 (2)
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Gymnasium
1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Die Kugel des abgebildeten Fadenpendels wird aus der
Ruhelage auf die Höhe h = 9 cm angehoben
Der Faden ist dabei straff gespannt.
a) Berechne, mit welcher Geschwindigkeit (in m/s)
die Kugel durch die Ruhelage schwingt.
b) Wie hoch müsste man die Kugel (bei straff
gespanntem Faden) anheben, damit die
Geschwindigkeit doppelt so groß wie bei
Aufgabe a) ist?
2.
Mit welcher Geschwindigkeit ( km / h ) fährt ein Auto ( m  1000 kg ), das dabei die
kinetische Energie 980 kJ besitzt?
3.
Bei welchen Sportarten (drei Nennungen) wird Spannenergie umgewandelt?
4.
Frida ( m  60 kg ) fährt mit ihrem Fahrrad ( m  20 kg ) mit einer Geschwindigkeit von
v  18,0 km / h . Auf einer Strecke von 2,0 m bremst Frida plötzlich (der Straßenbelag ist
in schlechtem Zustand); sie ist dann nur noch 13,5 km / h schnell.
a) Berechne, um wie viel sich die kinetische Energie von Frida verringert.
b) Wie groß ist die bremsende Kraft F, die während des Abbremsvorgangs wirkt?
c) Wie groß ist die Beschleunigung a, mit der das Fahrrad verzögert wird?
5.
Onkel Otto (mit der Masse 85 kg) springt aus
einer Höhe von 2,0 m auf ein Schleuderbrett.
a) Wie hoch wird sein Freund, der 68 kg wiegt,
höchstens geschleudert?
b) Onkel Otto möchte seinen Freund aber
3,0 m hoch schleudern.
Mache Vorschläge, wie man das
erreichen kann. Berechne die dann
notwendigen Veränderungen.
GP_A0105 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0105)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Ein Stein wird aus einer Ausgangshöhe von 1,8 m über dem Boden nach oben
geworfen und erreicht eine maximale Höhe von 7,6 Metern über dem Boden.
a) Beschreibe die Energieumwandlungen!
b) Mit welcher Geschwindigkeit (in m/s) wurde der Stein abgeworfen?
c) Welche Geschwindigkeit hat der Stein in einer Höhe von 4,0 m über dem Boden?
2.
Der Faden eines Fadenpendels trifft auf einen
Stift (s. Abb.).
Wie hoch steigt die Kugel rechts vom Stift,
wenn sie links 1,0 m über dem Nullniveau
losgelassen wird ?
3.
Ein Hochspringer läuft an, springt über die Latte und fällt in eine Schaumstoffmatte.
a) Beschreibe die auftretenden Energieumwandlungen vom Zeitpunkt des Starts bis
zum Einsinken in die Matte.
b) Der Sportler springt mit 9,3 m nach oben ab. Wie hoch kommt er?
s
4.
Wie lautet in der Physik die Definition der mechanischen Arbeit?
5.
Tobias zieht mit der Kraft 200 N eine Kiste auf horizontalem Boden 4,0 m weit,
befestigt sie dann an einem gewöhnlichen Flaschenzug mit 2 festen und 2 losen Rollen
und hebt sie damit 6,5 m hoch. Der Flaschenzug ist reibungsfrei, das Rollengewicht wird
vernachlässigt.
a) Berechne die Arbeit, die Tobias beim gesamten Transport der Kiste verrichtet, wenn
die Kiste die Masse 40 kg hat.
b) Zeichne für die aufzuwendende Kraft von Max ein Kraft - Weg - Diagramm für den
gesamten Transport.
GP_A0106 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0106)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Max springt auf einem Trampolin auf und ab. Welche Energiearten besitzen Max bzw.
die Bespannung des Trampolins (Nennung der Energieform genügt) …
a) … im tiefsten Punkt des Sprunges ?
b) … wenn die Bespannung gerade nicht mehr gedehnt ist und Max abhebt ?
c) … bei der Abwärtsbewegung auf halber Höhe ?
2.
Lässt man bei der skizzierten Kugelbahn zwei
Kugeln aus gleicher Höhe h gleichzeitig losrollen,
so erreicht die Kugel 2 eher das untere Bahnende als Kugel 1, obwohl die Bahn 2 länger ist
als die Bahn 1 und die Endgeschwindigkeit
beider Kugeln gleich groß ist !
Versuche dies kurz zu begründen !
3.
Ein Affe sitzt in 12 m Höhe auf einer Kokosnusspalme und lässt eine Kokosnuss fallen.
a) Mit welcher Geschwindigkeit (in km/h) prallt die Nuss auf dem Boden auf?
b) Aus welcher Höhe müsste der Affe die Nuss fallen lassen, wenn die Geschwindigkeit beim Aufprall nur halb so hoch wie in Aufgabe a) sein soll?
4.
Ein PKW der Masse 1100 kg wird bei einem Crashtest mit 36 km/h gegen einen
Stahlblock gefahren.
a) Wie groß ist die kinetische Energie des Autos? Was passiert mit dieser Energie
beim Aufprall?
b) Aus welcher Höhe müsste der PKW fallen, um mit einer Geschwindigkeit von
36 km/h auf dem Boden aufzuschlagen?
5.
Du schießt einen Fußball mit der Geschwindigkeit v  12 m / s senkrecht nach oben.
Berechne die Höhe, die der Ball maximal erreichen kann.
6.
Bei dem skizzierten Flaschenzug sind das Gewicht der
Rollen und die Reibung nicht zu berücksichtigen.
a) Welche Last mit der Gewichtskraft FG in N kann man
höchstens heben, wenn die Zugkraft FZ  300 N beträgt ?
b) Um wie viel muss das Seilende herabgezogen werden,
um die Last um 0,75 m zu heben ?
c) Wie groß ist die dabei verrichtete Arbeit ?
GP_A0107 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0107)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Karl wirft einen Schneeball von 120 g Masse auf sein Hausdach. Er trifft in einer Höhe
von 8,0 m auf. Der Schneeball verlässt die ausgestreckte Hand von Karl in einer Höhe
von 1,90 m. Die Flugbahn ist fast senkrecht.
a) Beschreibe die Energieumwandlungen, die auf dem freien Weg des Schneeballs
stattfinden.
b) Berechne mit welcher Mindestgeschwindigkeit in km / h der Schneeball die Hand
verlassen muss.
2.
Emma sitzt auf dem Beifahrersitz eines Autos und beobachtet die Anzeige des
momentanen Benzinverbrauchs. Das Auto startet auf einer ebenen und geraden
Strecke und beschleunigt bis zur Geschwindigkeit 60 km / h , dann fährt es mit dieser
Geschwindigkeit weiter. Ihr fällt auf, dass beim Anfahren der Benzinverbrauch deutlich
höher lag als beim Fahren mit der konstanten Geschwindigkeit von 60 km / h .
Sie wundert sich, weil beim Anfahren die Geschwindigkeit doch einen kleineren Wert
hatte und sucht nach einer physikalischen Erklärung.
Kannst du ihr helfen? Erkläre wie es zu dieser Beobachtung kommt.
3.
Klaus baut sich nebenstehenden Flaschenzug
und hängt eine Last mit einer Gewichtskraft
von 200 N daran.
(Die Eigengewichte der Seile und Rollen sowie
die Reibung sollen vernachlässigt werden.)
a) Wie groß ist die benötigte Zugkraft?
Gib für jedes der sieben Seilstücke die Kraft
an, die es aushalten muss.
b) Welche Belastung (Zugkraft) müssen die
Befestigungspunkte bei der Aufhängung an
den Stellen A und B für das gegebene Gewicht
aushalten?
4.
Ein Rollstuhlfahrer hat zusammen mit seinem Rollstuhl die Masse 85 kg. Er fährt in
einer drittel Minute die 4,5 m lange Rampe hoch auf eine 80 cm höher liegende Ebene
in ein Sparkassengebäude.
a) Berechne die Antriebskraft, die der Rollstuhlfahrer mindestens aufbringen muss.
b) Welche Leistung bringt er dabei mindestens auf?
GP_A0108 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0108)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Nebenstehendes Diagramm zeigt einen
Bewegungsablauf der sich in drei
Abschnitte gliedert.
Beschreibe, welche Bewegungen in den
drei Abschnitten auftreten.
2.
Ein Fußball rollt auf dem Rasen eines Fußballplatzes. Stürmer Hasenfuß tritt diesen
Ball. Was kann die dabei ausgeübte Kraft auf den Ball bewirken?
Nenne mindestens drei verschiedene Wirkungen.
3.
Wo kann man mit einer Balkenwaage Massen vergleichen? Begründung!
a) auf dem Mond ?
b) in einem Tiefsee-Tauchboot 4000 m unter dem Meeresspiegel?
c) in der Weltraumstation ISS ?
4.
Das Herz eines Erwachsenen pumpt bei jedem Herzschlag eine bestimmte Menge Blut
durch den Körper. Das Blut wird dabei aus allen Körperteilen angesaugt und in alle
Körperteile gedrückt. Wir nehmen an, dass bei jedem Herzschlag 80 g Blut um 1 m
gehoben werden, und das Herz in einer Minute etwa 70 Mal schlägt.
a) Welche Arbeit verrichtet es dabei in einer Minute?
b) Wie hoch könnte mit dem Arbeitsbetrag aus a) ein Erwachsener der Masse 56 kg
gehoben werden?
c) Welche Leistung erbringt das Herz in einer Stunde?
5.
Ein Auto der Masse 1200 kg fährt auf horizontaler Strecke mit konstanter
Geschwindigkeit von 90 km/h
a) Berechne die kinetische Energie des Autos.
b) Berechne die Energie, die nötig ist, um das Auto für eine Ausstellung auf eine 5 m
hohe Plattform zu heben.
c) Aus welcher Höhe müsste das Auto herunterfallen, um mit der in a) berechneten
kinetischen Energie am Boden aufzutreffen?
GP_A0109 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0109)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
a) Erkläre, was man unter einem Kraftwandler versteht.
b) Formuliere die Goldene Regel der Mechanik und erkläre diese am Beispiel
eines Flaschenzugs. (falls notwendig, Skizze anfertigen)
2.
Nikolaus bastelt ein Weihnachtsmobile.
Die Weihnachtssterne 1, 2 und 3
( G1  2,0 N, G2 / G3  3,0 N ) hat sie bereits
aufgehängt (siehe Abbildung).
Welche Gewichtskraft darf der Stern Nr. 4
haben, wenn er 22 cm vom Drehpunkt des
Mobiles platziert wird und das Mobile im
Gleichgewicht sein soll?
3.
Die Feder D  260 N / m  in nachfolgender Abbildung ist in Punkt (1) um 6,5 cm
zusammengedrückt. Vor ihr ruht in einer Bahn ein Spielzeugauto  m  165 g  . Die
Feder wird nun entspannt und katapultiert das Auto bis zu Punkt (4) hinauf, wo es zum
Stehen kommt. (Reibungskräfte sind zu vernachlässigen.)
a) Berechne die in der Feder gespeicherte Energie!
b) Gib an, welche Energieformen in den Punkten (2), (3) und (4) jeweils auftreten !
(Fachbegriffe ausschreiben!)
c) Nach dem Versuch wird das Spielzeugauto aufgeräumt. Es wird in Punkt (4) hochgehoben und in ein Regal gelegt. Dort besitzt das Auto eine Energie von 2,1 J.
Berechne die erforderliche Arbeit, um das Auto von Punkt (4) ins Regal zu legen!
4.
Ein Auto wird von 0 auf 126 km / h beschleunigt und besitzt dann eine Energie
von 0,75 MJ.
a) Berechne die Masse des Autos und gib das Ergebnis in der Einheit Tonnen an.
b) Wie lange muss das Fahrzeug beschleunigen, wenn vom Motor eine Leistung von
48 kW für den Antrieb zur Verfügung stehen?
Runde deine Ergebnisse auf eine Dezimale!
GP_A0110 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0110)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / (G8)
1.
Ein Gewichtheber hebt eine 250 kg-Hantel
hoch und lässt sie wieder ab (siehe Skizze).
a) Welche Energieumformungen von Anfang
bis Ende finden dabei statt ?
b) Beim Heben wird ein Höhenunterschied von
h = 1,8 m überwunden. Wie groß ist die dabei
verrichtete Arbeit und der Zuwachs an
Höhenenergie ?
c) Welche physikalische Arbeit wird verrichtet,
wenn die Last 3,0 s ruhig oben gehalten
werden muss ? Begründe deine Antwort.
d) Welche Leistung erbringt der Heber wenn
er zum Hochheben 2s benötigt ?
2.
Beschreibe einen Versuch, der zur Bestätigung der Formel E kin = 1 mv 2 durchgeführt
2
wurde. – Voraussetzungen, Aufbau …!
3.
Auf dem Oktoberfest ist ein h 1 = 18 m hoher „Dreierlooping“ aufgebaut.
Die Wagen werden zu Beginn der Fahrt auf eine Höhe h2 = 28 m gezogen und fahren
anschließend in den „ersten“ Looping ein (Die antriebslosen Wagen starten oben
mit v = 0 m/s).
a) Bestimme die Geschwindigkeit der Wagen im
tiefsten Punkt des ersten Loopings (ohne Reibung) !
b) Bestimme die Geschwindigkeit der Wagen im
höchsten Punkt des ersten Loopings (ohne Reibung).
c) Die letzte Loopingschleife ist
wesentlich kleiner als die erste.
Welcher physikalische Grund
verbirgt sich dahinter ?
Erkläre kurz !
4.
Ein Auto der Masse 1,4 t fährt mit einer Geschwindigkeit von 108 km/h über eine
ebene Autobahn.
a) Berechne die kinetische Energie des Autos in kJ.
b) In welcher Höhe über dem Boden müsste sich das Auto befinden, um die gleiche
Energie in Form von Höhenenergie zu besitzen ?
5.
Durch eine Turbine fließt in jeder Minute eine Wassermenge von 14000 m³.
Das Wasser durchläuft einen Höhenunterschied von 80 m.
a) Wie groß ist die Energie des Wassers, die es pro Minute an die Turbine abgeben
kann ?
b) Welche Leistung des Wassers erhält die Turbine ?
GP_A0111 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0111)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
kg m
Verwende: g  10 m2 ; 1J  1 2
s
s
2
Udo macht sich wieder einmal mit seinem Fahrrad auf den Weg zur Schule.
1.
Während der Fahrt wird ihm bewusst, dass dabei die Reibung eine Rolle spielt. Nenne
je zwei Beispiele für erwünschte und für unerwünschte Reibung beim Radfahren.
2.
Udo erreicht mit der Geschwindigkeit 36 km / h seine Schule und bremst vor einer
Ampel auf einer Strecke von 10 m bis zum Stillstand ab. Udo, das Fahrrad und seine
Tasche haben zusammen eine Masse von 90 kg.
a) Wie groß ist seine Bremsarbeit?
b) Welche mittlere Bremskraft musste Udo dabei aufwenden?
3.
Um an der Schule die schräge Rampe von der Straße zum Pausenhof hochzufahren,
nimmt er Anlauf und hat am unteren Beginn der Rampe eine Geschwindigkeit von
v  27 km / h . Ermittle rechnerisch, ob diese genügt, um (ohne weiter zu treten) die
Rampe mit einem Höhenunterschied von 3,0 m hochzurollen ( m  90 kg ).
Erläutere, welche Auswirkung es hätte, wenn er seine 5 kg schwere Tasche vom
Fahrrad herunter stellen würde, bevor er Anlauf nimmt und mit gleicher
Geschwindigkeit an die Rampe heranfährt.
4.
Udo nimmt die Tasche vom Gepäckträger und muss dazu mit einer Kraft von 20 N den
(elastischen) Spanngurt um 5 cm dehnen.
Bestimme die Federhärte D (in N/m) und die verrichtete Spannarbeit.
5.
Damit die gerade auf den Pausenhof stürmenden Schüler nicht über die neben der
Türe abgestellte (5 kg schwere) Tasche stolpern, schiebt er sie mit dem Fuß um 0,8 m
mit einer Kraft von 15 N zu Seite. Welche Arbeit verrichtet Udo an der Schultasche?
6.
Wieder zu Hause angekommen möchte Udo
sein Fahrrad über den Winter aufräumen und
zieht es mit dem abgebildeten Flaschenzug hoch
an die Decke der Garage. Dabei stellt er fest,
dass sich sein 15 kg schweres Rad nur um 50 cm
anhebt, wenn er das Seilende um 1,5 m zieht.
Erkläre diesen Zusammenhang und folgere daraus,
mit welcher Kraft er (mindestens) am Seil ziehen muss.
Um wie viel ändert sich die Zugkraft F, wenn jede
Rolle noch 400 g wiegt ?
Wie groß ist die (physikalische) Arbeit, um das
Rad 1,2 m hochzuziehen?
GP_A0112 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0112)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
1.
Berechne die kinetische Energie eines Fahrzeugs der Masse 2,3 t das mit einer
Geschwindigkeit von 62 km/h auf waagerechter Strecke fährt.
2.
Aus welcher Höhe muss man von einer Klippe einen Stein ins Wasser fallen lassen,
damit er mit einer Geschwindigkeit von 25 km / h auf die Wasseroberfläche auftrifft?
3.
Eine Stahlkugel der Masse 12 g fällt aus 1,4 m Höhe auf eine Steinplatte und springt
auf 1,6 dm Höhe zurück.
a) Beschreibe die auftretenden Energieumwandlungen für diesen Vorgang.
b) Wie groß ist die Verringerung der mechanischen Energie in dem Moment als die
Stahlkugel die 1,6 dm Höhe erreicht hat?
4.
Ein Güterwaggon der Masse 24000 kg wird durch die konstante Kraft 3,5 kN auf einer
Schienenstrecke von 1200 m beschleunigt.
a) Wie hoch ist die Beschleunigungsarbeit? Reibungseffekte bleiben hier
unberücksichtigt
b) Welche Geschwindigkeit hat der Güterwaggon nach dem Beschleunigen?
c) Nach welcher Strecke würde der Waggon zum Stehen kommen, wenn keine
Beschleunigungskraft mehr wirken würde und der Reibungswiderstand 4 % der
Gewichtskraft beträgt?
5.
Lachse können auf dem Weg zu ihren Laichgründen kleinere Wasserfälle überwinden.
a) Welche Höhe über dem Wasser kann ein Lachs (2,8 kg Lebendgewicht) erreichen,
wenn er mit einer Geschwindigkeit von 3,8 m / s annähernd senkrecht aus dem
Wasser nach oben springt?
b) Welche kinetische Energie besitzt der Lachs beim Sprung?
GP_A0113 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0113)
1 (1)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
Rechne mit g = 10 m2 !
s
1.
Mit Hilfe eines Flaschenzugs (2 lose, 2 feste Rollen) wird ein Motorblock der Masse
84 kg um 1,6 m hochgehoben. Am Zugseil muss mit der Kraft FZ = 240 N gezogen
werden.
a) Berechne die am Zugseil verrichtete Arbeit.
b) Nenne zwei Gründe, warum für jeden Flaschenzug η < 1 ist.
c) Berechne den Wirkungsgrad des Flaschenzugs.
2.
Die folgenden Aussagen enthalten mehrere Fehler. Entscheide, welche der Aussagen
richtig sind und begründe deine Entscheidung. Korrigiere falsche Aussagen so, dass
sie dann richtig sind. Erläutere auch deine Korrekturen.
(a) Mit einem Kraftwandler kann man die zu verrichtende Arbeit verringern.
kg m2
.
s2
(c) Ein 10-Liter Eimer voller Wasser hat das Gewicht FG = 10 kg .
(b) Die Einheit der Arbeit ist: [W] = 1
(d) Lena steht auf der 8. Stufe einer Leiter, während ihre Schwester Anna erst auf
der 3. Stufe (der gleichen Leiter) steht. Beide können in diesem Moment die gleiche
Höhenenergie haben.
(e) Max hebt einen 20 kg schweren Reifen auf einen 0,75 m hohen Lieferwagen,
während Lukas den gleichen Reifen über eine 3 m lange Rampe (schiefe Ebene)
zum Lieferwagen hochrollt. Dabei wendet er eine Kraft von 40 N auf.
(f) Thorsten schiebt in 10 s mit 0,3 kN ein Auto an, das sich dabei um 3 m fortbewegt.
Für diese Leistung hat er also 90 W aufgewendet.
(g) Physikalische Arbeit wird verrichtet, wenn
1. eine Münze vom Erdboden aufgehoben wird.
2. ein Motorroller beschleunigt.
3. ein Fahrrad bremst.
4. der Bogenschütze Wilhelm mit gespanntem Bogen auf die Scheibe zielt.
5. Lehrer Lempel seine Aktentasche in der Hand hält.
3.
Ein Spielzeugauto ( m = 120 g ) wird durch eine gespannte Feder der Federhärte
D = 48 N / cm auf ebener Bahn beschleunigt. Die Feder wurde um s = 2,6 cm
zusammengedrückt und dann schlagartig entspannt. Reibung wird nicht berücksichtigt.
a) Welche Energie hatte das Auto beim Start?
b) Kurz nach dem Start durchfährt das Spielzeugauto einen Looping. Damit es sicher
durch die Loopingschleife kommt, soll die Geschwindigkeit im höchsten Punkt
3,6 m / s betragen. Welchen Durchmesser hat der Looping?
GP_A0114 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0114)
1 (2)
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1. Physikschulaufgabe
Klasse 8 / G8
4.
Ein Verkehrsflugzeug ( m = 200 t ) nähert sich rollend mit v = 54 km / h seinem Ziel am
Flughafenterminal. Auf einer Strecke von 80 m bremst das Flugzeug bis zum Stillstand
ab.
a) Berechne die kinetische Energie des Flugzeugs vor dem Bremsvorgang.
b) Wie groß ist die (als konstant angenommene) Bremskraft?
c) Wie lang wäre der Bremsweg bei gleicher Bremskraft, wenn die Anfangsgeschwindigkeit doppelt so groß wäre?
5.
Auf dem Boden steht eine Kiste mit Klappdeckel in der
eine Holzkugel mit einer Feder gegen den
geschlossenen Deckel gespannt ist. Die Feder ist
um ∆ s = 12 cm gespannt (Ebene 1). Damit besitzt sie
die Spannenergie E = 2,0 J .
Der Verschluss des Deckels wird nun geöffnet,
die Holzkugel wird durch die Feder nach oben
katapultiert.
a) Beschreibe den Bewegungsablauf des
Systems Holzkugel - Feder aus
energetischer Sicht bis zum höchsten
Punkt (Ebene 3). Trage deine
Erklärungen in untenstehende
Tabelle ein (keine Rechnungen).
Beachte die Festlegung des
Nullniveaus. Reibungseffekte
können vernachlässigt werden.
b) Die Holzkugel fällt knapp neben
der Kiste auf den Boden.
Wie unterscheidet sich der Betrag seiner Geschwindigkeit an der Stelle 2 bei der
Aufwärts- im Vergleich zur Abwärtsbewegung? Begründung!
Energieart
E Spann
1
1→ 2
Position
2
2→3
3
2,0 J
E
E
GP_A0114 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0114)
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