LK Physik Mattis

LK Physik Mattis
Neue Aufgaben sind rot geschrieben!
Komplex II: Arbeit, Energie, Leistung, Impuls
M 117 Ein Springer mit einer Masse von 70 kg springt über ein 1,40 m hohes Seil. Sein
Schwerpunkt hat über dem Boden eine Höhe von 85 cm; er muss sich beim Sprung 20 cm
hoch über dem Seil befinden. Welche Hubarbeit muss der Springer verrichten? (515 J)
M 118 Der Walchensee hat eine Fläche von 16,4 km². Das aus dem Walchensee
ausströmende Wasser fließt durch Druckrohre und danach durch die Kraftwerksturbinen in
den 200 m tiefer gelegenen Kochelsee. Um welche Höhe muss der Wasserspiegel des
Walchensees abgesenkt werden, damit durch das Ausströmen des Wassers in den Kochelsee
eine Energie von 1 000 000 kWh frei wird? (0,112m)
M 119 In einem Warenhaus führt vom Kellergeschoss eine Fußgängerrampe mit einem darauf
liegenden selbst laufenden Band in das Erdgeschoss. Das Erdgeschoss hat über dem
Kellergeschoss eine Höhe von 5 m. Das Laufband der Fußgängerrampe hat eine
m
Geschwindigkeit von 0,4 . Auf dem Laufband geht in Richtung der Bandbewegung ein
s
m
Mädchen (m = 40 kg), mit einer Geschwindigkeit von 0,6 relativ zum Laufband.
s
a) Welche Arbeit ist notwendig, um das Mädchen vom Kellergeschoss in das Erdgeschoss zu
transportieren? (1962 J)
b) Welchen Anteil davon übernimmt das Laufband, welchen Anteil bringt das Mädchen selbst
auf? (785 N; 1177 N)
M 121 Die Geschwindigkeit eines Körpers (m = 5 kg) soll in zwei Stufen jeweils um 10
m
s
gesteigert werden:
m
m
a) von v1 = 10 auf v2 = 20 und dann
(750 J)
s
s
m
m
b) von v2 = 20 auf v3 = 30 .
(1250 J)
s
s
Berechne die zugehörigen Beschleunigungsarbeiten.
M 122 Ein Kfz (m = 850 kg) wird aus der Geschwindigkeit v1 = 90
km
auf die
h
km
abgebremst.
h
a) Wie groß ist die kinetische Energie, die dem Fahrzeug beim Bremsen entzogen wird?
(236000 J)
km
b) Auf welche Geschwindigkeit kann ein Fahrzeug mit v3 = 160
abgebremst werden,
h
wenn bei diesem Bremsvorgang die gleiche kinetische Energie entzogen werden soll?
km
(136
)
h
Geschwindigkeit v2 = 30
M 126 Ein Skiläufer durchfährt eine Mulde. Auf dem abfallenden Hang verliert er 12 m an
Höhe, auf dem ansteigenden Hang gewinnt er wieder 8 m an Höhe. Zu Beginn und zum Ende
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seiner Fahrt hat er die Geschwindigkeit Null. Der Weg durch die Mulde hat eine Länge von
160 m, die Masse des Läufers beträgt 80 kg. Wie groß ist die mittlere Reibungskraft, mit der
er während seiner Fahrt gebremst wurde? (19,6 N)
M 128 Eine geneigte Ebene ist 10 m lang und 1 m hoch.
a) Welche Arbeit ist erforderlich, um einen Körper (m = 2 kg) längs der geneigten Ebene nach
oben zu schieben, wenn die Bewegung reibungsfrei erfolgt? (19,6J)
b) Wie groß ist die Arbeit, wenn bei der Bewegung längs der geneigten Ebene eine
Reibungskraft von 1,5 N überwunden werden muss? (34,6 J)
km
den Anfang einer ansteigenden
h
Strecke. Die Strecke ist gegen die Horizontale um 3° geneigt.
Welche Strecke kann der Zug ohne weiteren Antrieb mit seiner vorhandenen kinetischen
Energie zurücklegen, wenn die abbremsende Reibungskraft 0,5 % seiner Gewichtskraft
beträgt? Welche Rolle spielt die Masse des Zuges bei diesem Vorgang? (358 m)
M 129 Ein Zug erreicht mit einer Geschwindigkeit von 72
km
auf eine ansteigende Strecke zu.
h
a) Mit dem Beginn der Steigung stellt er das Treten ein und rollt mit dem Rad den Hang
hinauf. Welche Höhe erreicht er bei vernachlässigbarer Reibung? (2,27m)
b) Der Hang habe eine Steigung von 12 %, d.h. er bildet mit der Horizontale einen Winkel
von 6,84°. Der Radfahrer treibt sein Rad mit einer Kraft an, die gerade ausreichen würde, um
ihn ohne Geschwindigkeitsverlust einen Hang mit der Steigung 10 % (5,71°) hinauffahren zu
lassen. Bis zu welcher Höhe gelangt er nun (Reibung vernachlässigen)? (13,8 m)
c) Welche Höhe erreicht der Radfahrer, unter den Bedingungen der Teilaufgabe b und einer
zusätzlichen, entgegen der Fahrtrichtung wirkenden Reibungskraft von 1,2 % der
Gewichtskraft des Radfahrers? (8,54 m)
M 130 Ein Radfahrer fährt mit 24
M 131 Ein Junge zieht einen Schlitten einen Hang hinauf. Der Hang ist 100 m lang und bildet
mit der Horizontale einen Winkel von 10°. Die Gesamtmasse (Schlitten und Junge) beträgt
50 kg. Die Reibungskraft zwischen Schlitten und Boden sei 10 N.
a) Berechne Die Arbeit, die der Junge beim Heraufziehen aufwenden muss. (9520 J)
b) Nachdem der Junge oben
M 157 Auf einem Wagen (Masse 50 kg) befinden sich ein Beobachter (75 kg) und ein Stein
m
(2 kg). Der Wagen hat eine Geschwindigkeit von 0,5 . Nun wirft der Beobachter den Stein
s
m
mit der Geschwindigkeit - 6 (negativ) relativ zur Fahrbahn entgegen der Fahrtrichtung fort.
s
m
a) Berechne die Geschwindigkeit des Wagens nach dem Wurf. (0,604
)
s
m
b) Welche Geschwindigkeit hat der Stein nach dem Wurf relativ zum Wagen ? (-6,604
)
s
c) Warum kann man diese Aufgaben nicht mit dem Energieerhaltungssatz der Mechanik
lösen?
M 163 Ein rodelnder Junge und sein Schlitten haben zusammen eine Masse von 50 kg. Der
Schlitten gleitet einen 5 m hohen Hang hinunter, dabei gehen 20 % der potentiellen Energie
durch Reibung verloren. Am Fuß des Hanges stößt dieser Schlitten auf einen zweiten
Schlitten, der in der Fahrtrichtung des ersten steht. Der zweite Schlitten hat mit seinem Rodler
zusammen eine Masse von 30 kg. Beim Zusammenstoss verkeilen sich die beiden Schlitten
ineinander und setzen die Reise gemeinsam fort. Berechne die Geschwindigkeit unmittelbar
m
nach dem Stoß.
(5,54
)
s
M 174 Zwei PKW (jeweils 1000 kg) haben eine Geschwindigkeit von 72
km
. Sie stoßen
h
frontal und unelastisch zusammen.
km
)
h
b) Welcher Energiebetrag wird bei der Verformung der Fahrzeuge umgewandelt? (400000 J)
a) Berechne die Geschwindigkeit der Wagen nach dem Stoß.
(0
M 175 Zwei Eisenbahnwagen (jeweils 5t) rollen in der gleichen Richtung auf einem Gleis.
km
Der vordere hat eine Geschwindigkeit von 30
, der hintere hat eine Geschwindigkeit von
h
km
50
.
h
a) Welche Geschwindigkeiten haben die Wagen nach einem elastisch erfolgtem
km
km
Zusammenstoß?
(v1=50
; v2=30
)
h
h
b) Welche Geschwindigkeit haben die Wagen, wenn sie beim Zusammenstoß verkoppelt
werden? Welche kinetische Energie „verliert“ das System der beiden Wagen beim Stoß?
(38600 J)
Quelle: Höfling (1989). Physikaufgaben. 9. Auflage. Bonn: Dümmler Verlag