2. Physikschulaufgabe - mathe-physik
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Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 1. Mit einem Mikrofon und einem Oszilloskop wird ein Pfeifton registriert. Die Zeitachse des Oszilloskops ist auf 1,0 ms pro cm eingestellt (vgl. nebenstehendes Oszilloskop-Bild) a) Berechne die Frequenz des eingestellten Tons ! b) Wie ändert sich das ursprüngliche Bild, wenn man den Ton lauter stellt ? c) Was ist der Unterschied zwischen dem Oszilloskop-Bild eines Klanges und dem eines Geräusches ? Bearbeite Aufgabe d) auf dem Angabenblatt d) Beschrifte die Achsen des nebenstehenden Oszilloskop-Bildes und zeichne zudem das Bild eines gleichlauten Tons ein, der eine Oktave tiefer ist als der eingezeichnete Ton ! 2. a) Wie lautet der Trägheitssatz ? b) Der ICE von Nürnberg nach Ingolstadt fährt einen Teil der Strecke mit immer gleicher Antriebskraft und der konstanten Geschwindigkeit 250 km . Weshalb liegt h hier kein Widerspruch zum Trägheitssatz vor ? Begründe deine Antwort ! c) Erläutere mithilfe des Trägheitssatzes die Bedeutung des Sicherheitsgurtes beim Autofahren ! 3. Mit dem nebenstehend abgebildeten Flaschenzug wird eine Masse von 63 kg mit einer Zugkraft von F = 220 N hochgezogen. Erkläre, wie die Kraft F zustande kommt. Benutze dabei die Nummerierungen 1, 2, 3, 4 und 5 der Seilstücke ! 4. Ein Vater will mit seinem kleinen Sohn, der 26 kg wiegt, auf einer Spielplatzwippe bequem wippen und setzt diesen in 2,1 m Entfernung vom Drehpunkt darauf. Er selbst setzt sich auf die andere Seite in 0,6 m Entfernung vom Drehpunkt, wodurch die Wippe im Gleichgewicht ist. Berechne das Gewicht des Vaters. Blatt 2 beachten ! GP_A0059 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0059) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 5. Eine Schraubenfeder der Härte 8,5 N wird um 2,4 cm zusammengedrückt. cm a) Wie groß ist die Spannenergie in der zusammengedrückten Feder ? b) Beim schlagartigen Entspannen schießt diese Feder eine Kugel der Masse 45 g senkrecht nach oben. Welche maximale Höhe kann die Kugel erreichen ? GP_A0059 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0059) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 Bei den Endergebnissen jeder Teilaufgabe ist auf die gültigen Ziffern zu achten ! Benutze g = 10 N/ kg ! 1. Beim Bau eines Fahrrads wurde mit verschiedenen Rahmenformen experimentiert. Bestimme für die unten aufgeführte Form zeichnerisch die Beträge der Teilkräfte entlang der Stangen a und b, wenn sich ein Fahrer mit 80 kg auf das Fahrrad setzt. 2. Die Federung des Fahrrads wurde ausgebaut und mit einem Brett versehen. Ein Schüler ( mS = 46 kg ) setzt sich auf das Brett und drückt die Feder um 4,0 cm zusammen. a) Berechne die Federhärte. b) Ein vollgefedertes Fahrrad (an jedem Rad gefedert) wird mit 54 kg gleichmäßig beladen. Um wie viel Zentimeter senkt sich das Fahrrad ab ? c) Welche Federhärte hat das Gesamtsystem ? 3. Bei einem Ausflug mit diesem Rad kommst du an einen Schlagbaum (Schranke). Dieser ist wie in nachfolgender Skizze (Blatt 2) gezeigt aus einer Holzstange ( mS = 25 kg ) und einem Betonblock konstruiert worden. Die Schranke kann mit einer Kraft FH von 90 N gerade geöffnet werden, wenn die Stange ganz rechts angehoben wird. a) Zeichne alle beteiligten Kräfte ein (ohne Maßstab). b) Berechne die Masse mB des Betonblocks, wenn FH = 90 N ist. Blatt 2 beachten ! GP_A0060 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0060) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 4. Die Holzstange des Schlagbaums ( mS = 25 kg ) hat ein Volumen von 31 dm³. a) Berechne die Dichte des Holzes. b) Gib die Dichte in kg/m³ und in g/dm³ an. c) Welches Volumen hätte eine identische Stange ( mS = 25 kg ) aus Stahl ( ρ = 7,3 ⋅ 103 g / dm³ ) GP_A0060 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0060) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 1. Beschreibe mit Worten, wie die Frequenz beim Fadenpendel von der Pendellänge und von der Amplitude abhängt ! Entsprechend dem im Unterricht durchgeführten Versuch messen wir bei einem Fadenpendel für 20 Schwingungen eine Zeit von 18 s. Berechne die Schwingungsdauer und die Frequenz ! Gib an, in welchen Zeitabständen das Pendel durch die Ruhelage läuft ! Wie viele vollständige Perioden durchläuft das Pendel in 30 s ? 2. Eine Person stellt sich im Bad auf eine Personenwaage, die dann 60 kg anzeigt. Übertrage die folgende Tabelle ausgefüllt auf dein Blatt, nicht auf diese Angabe (gegebenenfalls mit Nebenrechnung): Die Person hat die Masse das Gewicht auf der Erde auf dem Mond 3. Nenne den wesentlichen Unterschied zwischen einem reellen und einem virtuellen Bild ! Warum heißt die Oder - Schaltung Oder - Schaltung ? Nenne je einen Leiter und einen Nicht - Leiter ! Zeichne das Schaltbild einer elektrischen Klingel ! 4. Berechne das Gesamtgewicht einer vollen Getränkekiste mit 6 Flaschen zu je 1,5 Liter Mineralwasser, wenn 1 leere Flasche die Masse 50 g und die leere Kiste die Masse 1 kg hat ! 5. Die Regionalbahn von Ingolstadt über Schrobenhausen nach Augsburg startet um 9:30 Uhr Richtung Augsburg und fährt mit der mittleren Geschwindigkeit 80 km/h. Nach 12 Minuten Fahrzeit muss der Zug seine Geschwindigkeit um die Hälfte drosseln, weil die Bremsanlage einen Defekt meldet. Die Bahn erreicht um 10:00 Uhr Schrobenhausen und bleibt dort wegen des Defektes stehen. In der Zwischenzeit hat der Lokführer die Leitstelle über Funk verständigt und die Bahn schickt um 9:50 Uhr einen Ersatzzug von Ingolstadt nach Schrobenhausen. Dieser Zug fährt mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 85 km/h. a) Zeichne in ein t - s - Diagramm den Bewegungsablauf beider Züge ! (1 cm für 5 Minuten; 1 cm für 5 km) b) Wann erreicht der Ersatzzug Schrobenhausen ? b) Zeichne für den 1. Zug (der um 9:30 Uhr losfuhr) das t - v - Diagramm ! (1 cm für 5 Minuten; 1 cm für 20 km/h) GP_A0061 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0061) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 1. Hangabtriebskraft Ein Skifahrer (Gewichtskraft FG = 0,55 kN ) fährt einen Hang mit der Neigung 25° hinunter. Ermittle anhand einer sauberen und beschrifteten Skizze die Hangabtriebskraft und die Kraft, die vom Skifahrer auf die Schneedecke ausgeübt wird. 2. Hebel Eine Fackel besteht aus einem Aluminiumrohr mit der Gewichtskraft GR = 4,30 N . An einem Rohrende befindet sich der getränkte Docht mit der Gewichtskraft GD = 2,10 N . Die Rohrlänge beträgt l = 45,0 cm, der Schwerpunkt des Dochtes liegt genau am Rohrende. In welcher Entfernung vom Docht liegt der Schwerpunkt der Fackel ? (Skizze !) 3. Pendel a) Lies aus nebenstehendem l - T - Diagramm eines Fadenpendels ab, - welche Länge l ein Pendel mit der Periodendauer 1,7 s hat, - welche Periodendauer T ein Pendel der Länge 0,30 m hat. Ein Fadenpendel der Länge 0,40 m hat auf dem Mond eine Periodendauer von 1,8 s. b) Welche Frequenz hat das Pendel ? Welche Frequenz hat es bei halber Amplitude ? c) Wo befindet sich das Pendel nach 3,15 s, wenn es im rechten Umkehrpunkt startet Begründung ! 4. Federkräfte Eine Zugfeder hat im unbelasteten Zustand die Länge 8,0 cm. Ihre Federkonstante beträgt D = 0,40 N / cm. a) An diese Feder wird ein Körper K mit der Gewichtskraft 1,6 N gehängt. Auf welche Länge wird die Feder gedehnt ? b) Um welche Länge wird sich die Feder dehnen, wenn sie sich an der eingezeichneten Stelle im skizzierten Versuchsaufbau befindet ? (Körper K wie bei a); Gewichtskräfte der Rollen sind vernachlässigbar) c) Das Seil wird in B (siehe Skizze) aufgeschnitten und durch ein System zweier Federn mit je D = 0,40 N / cm verbunden. Um wie viel dehnt sich dieses Federsystem ? GP_A0062 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0062) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 Rechne jeweils mit g = 9,8 m2 = 9,8 N kg s 1. Gleichgewicht a) Wie lautet die Definition des Schwerpunkts ? b) Beschreibe anhand kleiner Skizzen die drei verschiedenen Gleichgewichtslagen! Wodurch zeichnet sich der Schwerpunkt eines Körpers aus, der sich in der jeweiligen Lage befindet ? 2. Halfpipe Patrick fährt die Halfpipe und läßt sich aus einer Höhe von 2,5 m ohne weitere Beschleunigung hinabrollen. Die Reibung seines kugelgelagerten Skateboards und der Luftwiderstand können hier vernachlässigt werden. a) Welche Höhe erreicht Patrick auf der anderen Seite der Halfpipe, wenn er sich ohne Anstrengung nur rollen läßt ? b) Wo erreicht Patrick seine größte Geschwindigkeit. Berechne diese. 3. Die Oberleitung Um den Draht einer Oberleitung einer Bahnstrecke gespannt zu halten, hängen 4 Gewichte zu je 0,15 kN am Ende des Stahlseils in C. Das andere Ende ist in B fest. In A ist eine lose Rolle. a) Welche Kraft erfährt die Oberleitung ? b) Zwischen Mast und Seil wird in B eine stählerne Schraubenfeder mit D = 2,0 kN dm befestigt. Im entspannten Zustand hatte die Feder die Länge s = 15 cm. Auf welche Länge l dehnt sich die Feder ? Blatt 2 beachten ! GP_A0063 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0063) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 4. Flaschenzug - Hebel - Kombination Das Gewicht der losen Rollen kann vernachlässigt werden! Die Hebelstange hat ein Gewicht von GH = 12 N . Das zweite Gewicht mit der Gewichtskraft G2 = 21N hängt in einer Entfernung von a = 20 cm vom Drehpunkt D an der Hebelstange. a) Wir betrachten zunächst nur den Hebel: Welche Kraft F müsste am Ende des Hebels angreifen, um Gleichgewicht am Hebel herzustellen ? b) Berechne die Gewichtskraft G1 , die für das gesamte System Gleichgewicht herstellt ! GP_A0063 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0063) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 1. Hookesches Gesetz Marie will ihre Muskeln trainieren und zieht einen Expander, der die Federhärte 120 N/m hat, mit einer Kraft von 47 N auseinander. Der Expander hat dann eine Länge von 1,18 m. a) Wie lang ist der Expander im unbelasteten Zustand (wenn niemand dran zieht) ? b) Oliver will den gleichen Expander auf eine Länge von 1,34 m bringen. Mit welcher Kraft muss er ziehen ? 2. Flaschenzug Mit welcher Kraft FZ muss Manuel ziehen, um den Körper mit der Gewichtskraft FG = 800 N zu halten bzw. ihn langsam hochzuziehen ? Das Gewicht der Rollen wird vernachlässigt. Ergänze die Skizze durch Angabe der Kräfte in den Seilen. 3. Kräftezerlegung a) Ermittle in der nachfolgenden Skizze zeichnerisch mit geeignet gewähltem Maßstab die Kräfte, die auf die Seilstücke 1 und 2 wirken, wenn die Gewichtskraft des Sessellifts 1,8 kN beträgt. b) Wir nehmen vereinfacht an, dass im Winter das Seil wegen der Kälte kürzer wird. Wie wirkt sich das auf die in a) berechneten Kräfte aus ? Kurze Begründung ! Blatt 2 beachten ! GP_A0064 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0064) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 4. Masse, Dichte, Volumen Eine Legierung (Mischung) besteht aus 8,8 dm3 Blei und einer unbekannten Menge Eisen. Die Masse der Legierung beträgt 290 kg. Berechne das Volumen der Legierung. 5. Hebel Eine 1,5 m lange homogene Hebelstange hat ihren Drehpunkt in der Mitte. Du legst zwei Steine auf die Stange, einen (25 N) 30 cm vom linken Rand, den anderen (35 N) 90 cm vom rechten Rand entfernt. Wo musst du einen Aluminiumklotz mit dem Volumen 0,68 l platzieren, damit die Stange im Gleichgewicht ist ? 6. Masse, Ortsfaktor Philippe hat in einem Preisausschreiben einen Flug zum Mond gewonnen. Dort findet er einen wertvollen Stein, der auf dem Mond die Masse 12,3 kg hat. Er nimmt den Stein mit zur Erde. Wie groß ist die Masse des Steins auf der Erde? 11,3 kg / dm3 Eisen 7,8 kg / dm3 Aluminium 2,7 kg / dm3 Dichte: Blei Ortsfaktor: Erde Mond GP_A0064 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0064) 9,8 N / kg 1,6 N / kg 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 1. Hängt man einen Körper an eine Feder mit D = 4 N / cm, so wird sie um 2 cm gedehnt. Taucht man den Körper vollständig in ein mit Alkohol der Dichte 0,8 g / cm³ gefülltes Überlaufgefäß, so beträgt die Masse des übergelaufenen Alkohols 64 g. a) welches Gewicht b) welches Volumen besitzt der Körper ? 2. Ein Kaufmann wiegt in München 100 g Erbsen mit der Balkenwaage ab. Müsste er am Mond weniger, gleich viel oder mehr Erbsen auf die Waage legen ? (Begründung !) 3. Bei einer einfachen Hydraulischen Bremse drückt der Bremsbelag von außen auf das Rad. Bei den Fragen a) und b) sind die Rückstellfedern noch nicht eingebaut. a) Der Bremsbelag muss mit 200 hPa auf das Rad drücken. Welche Kraft F2 ist dazu erforderlich ? b) Welche Kraft F1 ist am Bremskolben notwendig, um F2 aufzubringen ? c) Die Bremse wird nun mit den beiden Rückstellfedern mit jeweils D = 1,5 N/cm versehen. Sind die Federn entspannt, beträgt der Abstand s = 3 cm. Welche Kraft F1 ’ ist nun notwendig, um F2 aufzubringen ? 4. Eine oben offene, quaderförmige Eisenwanne mit der Grundfläche A = 1 m² und der Höhe h = 35 cm schwimmt im Wasser. Sie taucht dabei 20 cm tief ins Wasser ein. a) Berechne den Schweredruck des Wassers, dem der Wannenboden ausgesetzt ist. b) Welche Masse besitzt die Eisenwanne ? 5. Eine Feder (D = 2 N/cm) wird 25 cm zusammengedrückt. a) Welche maximale Kraft F ist dazu notwendig ? b) Welche Arbeit wird dabei an der Feder verrichtet ? Blatt 2 beachten ! GP_A0065 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0065) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 6. Ein Körper (m = 3,25 kg) wird über eine Rolle (siehe Abb.) 24 m angehoben. a) Welche Hubarbeit W1 ist dazu notwendig ? Da die Rolle schlecht gelagert ist, muss tatsächlich die Arbeit W2 = 870 J aufgebracht werden. b) Wie groß ist die Reibungsarbeit WR ? Berechne die Reibungszahl µ ! c) Mit welcher Kraft F muss man am Seil ziehen ? GP_A0065 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0065) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Das abgebildete Multimeter ist ein Universalmessgerät mit dem auch elektrische Spannungen gemessen werden können. Ausgangssituation ist das nebenstehend dargestellte Schaltbild. a) Zeichne im Bild des Multimeters die beste Stellung des Drehschalters ein und kennzeichne die zu benutzenden Buchsen für die Messkabel. b) Zeichne das Messgerät als Symbol In die Schaltskizze ein, so dass die zusammen an den Lampen L1 und L2 abfallende Spannung gemessen werden kann. Welchen Wert könnte das Multimeter wohl anzeigen? c) Wie groß ist die Spannung, die an den Lampen L3 und L4 abfällt? 2. Für einen elektrischen Widerstand wird ein Stück Kupfer-Nickel-Draht (Konstantan) verwendet. An diesem Draht wurde die Stromstärke in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gemessen (siehe Tabelle). U in V 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 I in A 0,00 0,12 0,24 0,36 0,49 0,61 0,71 a) Zeichne die U - I - Kennlinie und begründe, dass es sich im Rahmen der Messgenauigkeit, um einen Ohm‘schen Widerstand handelt. b) Berechne den Widerstand des Drahtes aus einem (beliebigen) Messwertepaar. c) Trage in dem Diagramm aus Teilaufgabe a) die Kennlinie für einen Widerstand ein, der doppelt so groß ist (d.h. für einen Draht, der z.B. doppelt so lang wäre). d) Wie viele Elektronen werden bei einer Stromstärke von 490 mA in 2 Minuten durch diesen Leiterquerschnitt transportiert? Physikalische Konstante: e 1,6022 10 19 C 3. Ein Glühlämpchen hat den (als konstant anzunehmenden) Widerstand R L 20 wenn es an eine Stromquelle der Spannung U 6,0 V angeschlossen wird. Nun wird noch ein Widerstand R 1 parallel zum Lämpchen in den Stromkreislauf geschaltet. Von der Stromquelle ausgehend fließt nun ein Strom der Stärke I 800 mA . Berechne nachvollziehbar den Wert von R 1 . GP_A0135 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0135) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 4. In nebenstehendem Schaltplan haben alle Widerstände den gleichen Widerstandswert R 20 . Die Klemmenspannung beträgt 12 Volt. a) Berechne den Gesamtwiderstand der Schaltung. b) Bestimme den Spannungsabfall (die Teilspannung) an jedem Widerstand. c) Wie hoch ist der Gesamtstrom an der Spannungsquelle? d) Berechne die Teilströme I 1, I 2 , I 3 die durch die drei Schaltungszweige fließen. GP_A0135 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0135) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 Physikalische Konstante: e 1,6022 10 19 C (Elementarladung) 1. a) Gib folgende Größen jeweils mit der in Klammern stehenden Einheit an: 1,25 Ah (C) 12,5 V (kV) 125 A (mA) b) In einem metallischen Leiter fließt ein konstanter Strom der Stärke 20 mA . Wie viele Elektronen passieren den Leiterquerschnitt in einem Zeitabschnitt von 5,0 ms ? c) Auf einem Glühlämpchen für den Modellbau ist die Aufschrift „ 2,5V / 20mA“ zu lesen. Was bedeutet diese Angabe? d) Ein Stromkreis besteht aus den zwei parallel geschalteten Widerständen R 1 40 und R 2 160 , sowie einer Spannungsquelle mit U 12 V . Berechne die Gesamtstromstärke I und die Teilstromstärken I 1 und I 2 . e) Um wie viel Prozent verringert sich bei einem Elektrogerät die elektrische Leistung, wenn die angelegte Spannung bei konstantem Widerstand um 20% abnimmt. 2. Bei einem einfachen Bügeleisen ist zur Temperaturregelung ein Bimetallschalter montiert. Der prinzipielle Aufbau ist in der Skizze dargestellt. a) Wie muss der Bimetallstreifen beschaffen sein, damit die Temperaturregelung funktioniert? b) Am Stellrad (Temperaturwähler) kann man unterschiedliche Bügeltemperaturen einstellen. Dabei wird die Höhenlage des oberen Kontaktes verändert. Welche Auswirkung auf die Heizung in der Bügeleisensohle hat es, wenn die Höhe des oberen Kontaktbleches etwas abgesenkt wird (Begründung). GP_A0136 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0136) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 3. Ein Blitz schlug in eine Scheune ein. Dabei flossen innerhalb einer Zeit von t 0,4 ms etwa 3,5 1019 Elektronen von der Gewitterwolke zur Scheune. Berechne die Stromstärke dieses Blitzes. 4. Ein NiC-Batteriepack trägt den Aufdruck „1600 mAh“. An diese Batterie wird eine Leuchte angeschlossen, die 10 LEDs enthält. Insgesamt fliesst ein Strom von I 200 mA . a) Berechne, wie lange die LED-Leuchte an dieser Batterie maximal betrieben werden kann. b) Die Spannung an dieser Batterie beträgt 7,2 V. Gib die Leistung an, die von dieser LED-Leuchte aufgenommen wird. 5. Die dritte Bremsleuchte an einem Pkw enthält 10 rote LEDs, die in Reihe geschaltet sind. Die Bremsleuchte ist am Stromkreislauf des Pkw angeschlossen. Im Betrieb liegt eine Spannung von U 12 V an der Leuchte an. a) Welcher Spannungsabfall ist an einer einzelnen LED zu beobachten? b) Berechne den Gesamtwiderstand der Bremsleuchte wenn die Stromaufnahme einer LED bei 20 mA liegt. GP_A0136 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0136) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. An eine Stromquelle ( U 18 V ) werden parallel zwei Widerstände R 1 30 und R 2 60 geschaltet. a) Berechne den Gesamtwiderstand im Stromkreis. b) Welcher Widerstand muss noch dazu in Reihe geschaltet werden, damit die Stromstärke 0,60 A beträgt? 2. Von einem Widerstand sind die Angaben 20 / 5,0 W bekannt. Darf dieser Widerstand direkt an eine Spannung von 12 V angeschlossen werden? Rechnung und Begründung! 3. Lies jeweils die Skala der beiden Messgeräte ab und gib an, welche physikalische Größe gemessen wird. Beachte den Messbereich! 4. Im abgebildeten Diagramm sind die U - I - Kennlinien von zwei elektrischen Bauteilen (1 und 2) angegeben. a) Bestimme von beiden Bauteilen die Widerstandswerte und erkläre kurz den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Steigung der Graphen. b) Zeichne die Kennlinie eines 3. Bauteils ein mit dem Widerstandswert 0,05 . c) Skizziere in das Diagramm die Kennlinie einer Glühbirne und beschreibe die Besonderheit dieser Kennlinie (Stichwort: Widerstandswert!). 5. Die Leitung zur Lichtversorgung in einer Wohnung (U 230 V ) ist mit 10 A abgesichert (Bei einem Strom von 10 A spricht die Sicherung an). Wie viele parallel geschaltete Lampen mit einem Widerstand von je 500 dürfen höchstens gleichzeitig betrieben werden? GP_A0137 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0137) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Gegeben sind: R 1 40 , R 2 100 , R 3 160 , R 4 80 . a) Zunächst ist der Schalter S geöffnet. Berechne den Gesamtwiderstand. b) Nun wird der Schalter S geschlossen; das Strommessgerät zeigt die Stromstärke 85 mA an. Berechne den Gesamtwiderstand, die Gesamtspannung und die Teilspannungen, die an R 1 sowie an R 2 abfallen. 2. Eine blaue LED (Light-Emitting Diode = Leuchtdiode) wird mit einem Strom der Stärke I 18 mA betrieben. Wie viele Elektronen fließen in 5 Millisekunden durch diese LED? Physikalische Konstante: e 1,6022 10 19 C (Elementarladung) 3. a) Zeichne eine Schaltung, mit der man die Kennlinie einer Glühbirne bestimmen kann. Benutze u.a. das Symbol für eine regelbare Stromquelle. b) Skizziere eine mögliche Glühlampenkennlinie in ein Koordinatensystem und beschrifte die Achsen mit den passenden Größen. Die Angabe von konkreten Zahlenwerten ist nicht verlangt. 4. Ergänze die fehlenden Werte der Tabelle durch Berechnung. Runde die Ergebnisse auf die richtige Anzahl von gültigen Ziffern und gib sie jeweils in einer passenden Einheit an. U 5. 230 V I 0,6 A R 2,8 56 V 90 mA 30 Im nebenstehenden R-T-Diagramm sind die Kennlinien von einem Heißleiter (NTC-Widerstand) Kaltleiter (PTC-Widerstand) Chrom-Nickel-Drahtwiderstand angegeben. Ordne die Graphen (A bis C) den jeweiligen Widerstandsarten zu. Begründe deine Angaben kurz. GP_A0138 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0138) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Das Messwerk eines Drehspulinstruments hat einen Widerstand von 50 . Es zeigt Vollausschlag bei einer Stromstärke von 20 mA. Es soll nun eine Spannung von 25 V gemessen werden. Wie ist der dazu notwendige Zusatzwiderstand zu schalten? Berechne seine Größe! 2. Auf dem Typenschild eines elektrischen Rasenmähers ist zu lesen: 230 V / 2000 W. a) Welchen Widerstand hat der Elektromotor? Das Verlängerungskabel für den Betrieb ist 50 m lang und enthält Kupferleitungen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 1,6 mm² ( 0,0175 mm2 / m ). b) Welche Stromstärke fließt während des Betriebs und welche Spannungen liegen am Rasenmäher und am Stromkabel an? 3. Drei identische Glühbirnen sind nach folgender Skizze geschaltet: a) Welche Glühbirne leuchtet am hellsten? (Begründung!) b) Birne L3 brennt durch. Wie ändern die beiden anderen ihre Leuchtstärke? 4. Die abgebildete Schaltung enthält 4 gleiche Widerstände von 50 . Berechne die von den Messgeräten angezeigten Werte I und U3 . GP_A0139 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0139) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. An einem Leiterstück aus Konstantan wird in einer Messreihe die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung gemessen. U in Volt 3 I in Milliampere 15 6 9 12 15 a) Ergänze die Tabelle mit den fehlenden Messwerten. b) Zeichne die Spannungs - Strom - Kennlinie in einem geeigneten Maßstab. c) Skizziere in das Diagramm die Kennlinie eines Leiters aus Eisen und begründe ihren Verlauf. 2. Von einer Glühlampe soll eine U-I-Kennlinie aufgenommen werden. Welche der Schaltungen sind richtig? 3. Emma ist Hobbybastlerin und sucht für eine Schaltung einige alte Bauteile aus ihrer Elektrokiste. Sie findet unter anderem einen gebrauchten Widerstand. Sie bestimmt anhand der vier Ringe (der letzte Ring ist silberfarbig) einen Widerstand von 120 . Um sicher zu gehen, dass der alte Widerstand auch diesen Wert hat, überprüft sie ihn mit Hilfe einer kleinen Messschaltung. a) Fertige eine vollständige Skizze der Messschaltung an, einschließlich aller Messgeräte. Beschreibe, was alles gemessen werden muss und wie man den Widerstandswert bestimmen kann. b) Durch die Messung von Emma kommt heraus, dass der Widerstand einen Wert von 130 aufweist. Hat sie sich vermessen oder verrechnet? Begründe deine Antwort. 4. In nebenstehender Schaltung sind alle Widerstände gleich mit R 60 . Die Klemmenspannung ist 12V. a) Berechne den Gesamtwiderstand der Schaltung. b) Bestimme den Spannungsabfall an den Widerständen. c) Berechne die Stromstärke im Leiterkreis. GP_A0140 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0140) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Gegeben ist die Kennlinie eines elektrischen Bauteils (siehe Skizze rechts). a) Handelt es sich bei diesem Bauteil um einen „Ohm‘schen Widerstand“? Begründe deine Aussage. b) Um welches elektrische Bauteil könnte es sich dabei handeln? 2. An einem Widerstand aus Konstantan wird in einer Messreihe die Stromstärke in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gemessen. U in V 2 I in mA 6 12 20 30 48 a) Vervollständige die Tabelle mit den fehlenden Messwerten. b) Zeichne die U - I - Kennlinie in einem geeigneten Maßstab. 3. Durch einen Leiter aus Kupfer fließt ein Strom der Stärke I 5 mA . Wie viele Elektronen bewegen sich innerhalb einer Sekunde durch den Leiter? Physikalische Konstante: e 1,6022 10 19 C 4. Die Lämpchen einer Lichterkette tragen folgende Beschriftung: 0,24 W / 0,03 A . Der Anschluss erfolgt über die übliche Steckdose im Haushalt (U 230 V) . a) Wie viele Lämpchen könnte diese Lichterkette enthalten? Beachte dabei, dass handelsübliche Lichterketten z.B. mit 20, 30, 50, 100 Lämpchen verkauft werden. b) Berechne den Gesamtwiderstand der Lichterkette. c) Wie hoch ist die Gesamtleistung? 5. Richtig (r) oder falsch (f) ? Kreuze entsprechend an! r a) Fließt elektrischer Strom durch einen Widerstand, so erwärmt er sich. b) Strommesser werden immer parallel zum „Verbraucher“ geschaltet. c) Eine Spannung fließt durch eine Glühlampe. f) Zur Strommessung in einem Punkt trennt man den Stromkreis in diesem Punkt auf und baut das Strommessgerät ein. Den elektrischen Strom in einem metallischen Leiter kann man als fließen von freien Ladungsträgern (Protonen, Neutronen) interpretieren. Spannung kann auch vorhanden sein, wenn kein Strom fließt. g) Ein Strom liegt an einem Widerstand an. h) Eine Spannung liegt zwischen zwei Punkten im Stromkreis. i) Konstantan, Manganin, Isabellin sind Namen von Metalllegierungen, die ihren Widerstand bei Temperaturänderung kaum verändern. d) e) GP_A0141 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0141) 1 (1) f www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Wahr oder falsch? Entscheide, ob die folgenden Aussagen wahr oder falsch sind. (Ohne Begründung!) (a) 0,45 V / A 450 m (b) Die von einem Verbraucher aufgenommene Leistung wird (bei konstanter Betriebsspannung) umso kleiner, je größer der Widerstand des Verbrauchers ist. (c) Nach dem ohmschen Gesetz ist der elektrische Widerstand der Quotient aus elektrischer Spannung und elektrischer Stromstärke. (d) Bei einer Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der Einzelwiderstände. (e) Ein Glühlämpchen mit der Aufschrift 40V, 10mA hat unter Betriebsbedingungen einen Widerstand von 4 k . 2. Nenne vier verschiedene regenerative Energiearten. 3. Sicherung Kann man eine Waschmaschine mit einer Leistung von 2 kW an die Steckdose ( U 230 V ) anschließen, wenn die Sicherung nur eine Stromstärke von 10 A zulässt? 4. U-I-Kennlinien (a) Zeichne das Schaltbild einer Schaltung mit der man die U - I - Kennlinie eines Widerstandes aufnehmen kann! (b) Zeichne die U - I - Kennlinie eines ohmschen Widerstandes. Zeichne in das Diagramm aus (b) die Kennlinie einer Glühlampe! 5. In einer Lampe wird eine 100 W – Glühbirne durch eine 20 W – Energiesparlampe ausgetauscht. Wie viel Geld spart man im Jahr, wenn die Lampe im Durchschnitt täglich 6 Stunden in Betrieb ist. (Preis für 1 kWh: 24 Cent) 6. Lichterkette: Für die Beleuchtung einer Sommerparty stehen Glühlämpchen für eine Lichterkette mit der Aufschrift 12 V, 2 W zur Verfügung. (a) Wie viele Lämpchen müssen mindestens in Reihe geschaltet werden, damit ein Anschluss der Lichterkette an das Haushaltsnetz (U 230 V ) möglich ist, ohne die Lämpchen zu überlasten? (b) Berechne die Stromstärke, wenn ein Glühlämpchen im Normalbetrieb den Widerstand R 60 hat. 7. Waffeleisen Frau K. schließt ihr Waffeleisen an die Steckdose ( U 230 V ) an. Sie misst die Stromstärke I 3,9 A . (a) Zum Backen einer Waffel wird eine durchschnittliche Backzeit von 2 min. benötigt. Berechne die elektrische Energie in kJ und kWh, die für das Backen von 20 Waffeln vom Stromnetz geliefert werden muss. (b) In Amerika wird eine Netzspannung von 115V verwendet. Welche Stromstärke muss dort fließen, damit ein Waffeleisen die gleiche elektrische Leistung besitzt? GP_A0142 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0142) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 Physikalische Konstante: e 1,60 10 19 C 1. Das Diagramm enthält die U - I - Kennlinien von drei elektrischen Bauteilen. a) Bei welchem Bauteil nimmt der Widerstand mit steigender Spannung zu? Begründe! b) Bei welchem der Bauteile handelt es sich um einen ohmschen Widerstand? Lies geeignete Werte aus dem Diagramm ab und berechne diesen. 2. Eine Glühbirne hat bei der Netzspannung U 230 V einen Widerstand von 882 . a) Wie groß ist die Stromstärke in der Glühbirne? b) Wie viele Elektronen fließen dann in 0,1 Sekunden durch die Glühbirne? 3. In einem Experiment soll der Widerstand eines Bauteils überprüft werden. Auf dem Bauteil steht folgende Angabe: R 204 . a) Zeichne den Schaltplan eines Stromkreises um den Widerstand des Bauteils zu überprüfen! b) Folgende Messwertpaare wurden aufgenommen: U in V 10 20 30 40 50 I in mA 49,0 98,0 146 190 230 Stelle die U - I - Kennlinie des Bauteils grafisch dar ! Vergleiche die Messergebnisse mit der Angabe auf dem Bauteil! c) Handelt es sich hier um einen ohmschen Widerstand? Begründe! d) Welche Stromstärke kannst du aus der Kennlinie bei einer Spannung von 25V ablesen? e) Welche Stromstärke erwartest du bei einer angelegten Spannung von 60V? Begründe! Blatt 2 beachten! GP_A0143 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0143) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 4. Gegeben ist die nebenstehende Schaltung. Die Gesamtspannung beträgt U 60,0 V . Für die Widerstände gilt: R 1 R 2 R 3 20,0 ; R 4 33,3 und R 5 66,7 . Der Schalter S sei vorerst geöffnet. a) Berechne die Stromstärke I 4 des Stroms, der durch R 4 fließt sowie die dazugehörige Spannung U 4 , die an R 4 anliegt, wenn der Schalter S geöffnet ist! b) Berechne die Stromstärke I 4 des Stroms, der durch R 4 fließt sowie die Spannung U 5 , die an R 5 anliegt, wenn der Schalter S geschlossen ist! c) An Stelle von R 1 und R 4 werden zwei baugleiche Lampen eingebaut. Begründe ohne Rechnung: c1) Welche Lampe leuchtet heller, wenn der Schalter S geöffnet ist? c2) Welche Lampe leuchtet heller, wenn der Schalter S geschlossen ist? 5. Auf einem Akku (wieder aufladbare Batterie) findet man die Aufschrift 2,4 Ah. a) Erkläre die Abkürzung Ah und erläutere, was die Angabe auf dem Akku bedeutet. b) Wie lange kannst du mit dem Akku ein Miniradio betreiben, das einen konstanten Strom von 100 mA benötigt? c) Wie viele Elektronen sind während der gesamten Betriebszeit durch das Miniradio geflossen? GP_A0143 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0143) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Beschreibe alle möglichen Aggregatzustände eines Stoffes. Nenne dabei alle Änderungen der Aggregatzustände. 2. a) Was wird als „innere Energie“ eines Körpers bezeichnet? b) Erläutere den Begriff „mittlere Teilchengeschwindigkeit“. c) Was ist der genaue, absolute Temperaturnullpunkt? Was bedeutet dieser? 3. 2,50 kg Eiswürfel aus der Tiefkühltruhe ( 20,0C ) werden 1,80 MJ Wärmeenergie zugeführt. a) Schmelzen die Eiswürfel vollständig? b) Welche Temperatur haben die Eiswürfel nach der Wärmezufuhr bzw. (falls geschmolzen) hat das Wasser? 4. Um die spezifische Wärmekapazität einer Flüssigkeit zu bestimmen wurden 300 g davon in einem Thermosgefäß laufend erwärmt. Die zugeführte Wärme und die Temperatur wurden gemessen. Einige Messwerte sind in nebenstehendem Diagramm eingetragen. a) Welche Schlussfolgerung kann aufgrund des Diagramms gezogen werden? b) Berechne die spezifische Wärmekapazität für diese Flüssigkeit auf Grundlage der Diagrammdaten. 5. Berechne die Masse eines Würfel aus Styropor ( 0,015 g / cm3 ) mit der Kantenlänge 1 Meter. 6. Beantworte in wenigen Sätzen. Achte auf die richtige Verwendung der physikalischen Fachsprache. a) Warum friert man am Land in nasser Kleidung? b) Warum überleben Fische in einem zugefrorenen See? Physikalische Konstanten Spezifische Wärmekapazität von Wasser c W 4,19 kJ kg K Spezifische Wärmekapazität von Eis c Eis 2,10 kJ kg K Spezifische Schmelzwärme von Eis q S 334 kJ kg Spezifische Verdampfungswärme von Wasser q V 2260 kJ kg GP_A0144 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0144) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. In einem Stahlblech befindet sich ein kreisrundes Loch, durch das eine Kugel gerade hindurchpasst. Das Blech (nicht die Kugel) wird mit einem Bunsenbrenner erhitzt. Was lässt sich beobachten? Deute die Beobachtung mit dem Teilchenmodell. 2. In Obstplantagen besprühen Bauern ihre Obstbäume bei drohendem Nachtfrost am Abend noch mit Wasser. Warum können mit dieser Maßnahme die Blüten vor dem Erfrieren gerettet werden? 3. Eine bestimmte Menge Eis wird durch gleichmäßige Wärmezufuhr von 50C auf 140°C gebracht. Skizziere ein Wärme - Temperatur - Diagramm. Gib im Diagramm alle Zustände sowie alle Zustandsänderungen an. 4. In einem Thermosgefäß befinden sich 250 g Wasser der Temperatur 20°C. Verena gibt 100 g Eis der Temperatur 0°C hinzu. Sie beobachtet, dass ein Teil des Eises schmilzt und am Ende das Wasser wie auch das verbliebene Eis die Temperatur 0°C haben. a) Wie viel Wärme gibt das Wasser beim Abkühlen ab? b) Berechne, wie viel Eis noch ungeschmolzen übrig bleibt. c W 4,19 J , die Schmelzwärme für 1,0 g Eis beträgt 334 J g C 5. Mit einem Wasserkocher soll eine bestimmte Wassermenge erwärmt werden. a) Was bedeutet für Wasser die Angabe c w 4,19 kJ ? kg C b) 800 Gramm Wasser sollen von 18°C auf 60°C erwärmt werden. Berechne, wie viel Wärme die Heizspirale des Kochers abgeben muss. c) Welche Leistung besitzt der Wasserkocher, wenn er für die Erwärmung des Wassers 2,0 Minuten benötigt? d) Ist der in Teilaufgabe b) berechnete Wert in Wirklichkeit größer, gleich oder kleiner? Begründe kurz. 6. In Herbstnächten bildet sich Tau beim Abkühlen der Luft. Dabei wird Luftfeuchtigkeit z.B. auf einem Rasen in Form von Tautropfen an den Grashalmen abgeschieden. Wie beeinflusst die nächtliche Taubildung (prinzipiell) die Temperatur in Bodennähe? Physikalische Begründung! GP_A0145 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0145) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. a) Beschreibe genau die Begriffe Sieden, Verdunsten, Verdampfen. b) Erkläre die Begriffe Verdunsten sowie Verdunstungskälte mit Hilfe des Teilchenmodells. c) Das Volumen V 2,5 cm3 einer Flüssigkeit verdunstet. Wovon hängt die Verdunstungszeit ab? 2. a) Du hast ein Flüssigkeitsthermometer ohne Skala. Du möchtest eine Celsius-Skala für den Messbereich von 5C bis 110°C anbringen. Erkläre, wie Du vorgehst. b) Wie würde die Skaleneinteilung zwischen 0°C und 10°C aussehen, wenn Du als Thermometerflüssigkeit Wasser verwenden würdest ? 3. Ein Stahlmaßband wurde bei 20,00°C geeicht. Wie groß ist die wahre Länge l einer Strecke, wenn mit dem Maßband bei der Temperatur 38°C die Länge l 1 500,00 cm gemessen wurde? Maßband und Strecke haben bei der Messung jeweils 38°C. 4. In einem Glasgefäß ( m 0,2 kg ) werden 0,5 kg Wasser von 18°C auf 70°C erwärmt. Um dies zu erreichen wird die Energiemenge 117 kJ zugeführt. Welche spezifische Wärmekapazität hat das Glasgefäß? 5. Eine Metallstange hängt an einem dünnen Faden. Die Stange ist so genau austariert, dass sie waagerecht hängt. Was kann man beobachten, wenn ein Ende der Metallstange mit einem Bunsenbrenner stark erwärmt wird? 6. Benzol ist eine chemische Substanz, die bei ca. 5°C zu Kristallen erstarrt und bereits unter 100°C siedet. Zwischen dem Erstarrungs- und dem Siedepunkt ist Benzol flüssig. 200 g kristallines Benzol der Temperatur 5°C werden in einem Topf bei gleichmäßiger Energiezufuhr erwärmt. Pro Sekunde werden dem Benzol dabei etwa 1,0 kJ zugeführt. Das Diagramm zeigt den zugehörigen Temperaturverlauf. Nach insgesamt ca. 120 Sekunden ist das Benzol schließlich vollständig verdampft. Löse mit Hilfe des Diagramms (siehe Blatt 2) und der Angaben oben die folgenden Aufgaben. a) Bei welcher Temperatur siedet Benzol? b) Wie viel Energie ist zum Schmelzen bzw. zum Verdampfen von 1,0 g Benzol erforderlich? c) Wie viel Energie ist erforderlich, um 1,0 g Benzol um 1,0°C zu erwärmen? Blatt 2 beachten ! GP_A0146 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0146) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 Physikalische Konstanten: q S 335 J ; q V 2260 J ; cEis 2,1 kJ ; c Wasser 4,19 kJ ; Stahl 12 10 6 1 C g g kg C kg C GP_A0146 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0146) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. a) Wie nennt man die Ladung eines einzelnen Elektrons und welche Größe (mit Einheit) hat diese Ladung? b) Beschreibe den Aufbau eines Atoms. Wie groß ist ungefähr der Durchmesser eines Atoms? c) Erwärmt man ein Gas, so nimmt seine Temperatur zu. Gib eine Kurzbeschreibung des Erwärmungsvorgangs mit dem Teilchenmodell. 2. Was versteht man unter der Entwertung von Energie? Ordne die Energieformen (chemische, mechanische, elektrische, innere Energie) nach Ihrer Wertigkeit. 3. Nenne die drei Arten der Wärmeübertragung und gib jeweils ein Beispiel an. Welche Übertragungsart funktioniert nur mit einem Materietransport? 4. Kreuze an, welcher Wert stimmt! Erhöht man bei einer abgeschlossenen Gasmenge mit dem konstanten Volumen von 3,5 Liter die Temperatur von 350 Kelvin auf 420 Kelvin, so ändert sich dabei der Druck von 1,0 bar auf den neuen Wert von 0,5 bar 5. 0,8 bar 1,2 bar 1,5 bar 2,0 bar In einem 1,5 m langen Kunststoffrohr befinden sich 1,0 kg kleine Eisenkugeln. Wendet man das Rohr n - mal, so fallen diese Kugeln jeweils die Rohrlänge herab; die Temperatur der Kugeln steigt dabei um 3,4°C (Wärmeabgabe an die Umgebung bleibt unberücksichtigt). a) Welche Energieumwandlungen finden statt? b) Wie oft muss das Rohr gewendet werden, damit die angegebene Temperaturerhöhung der Eisenkugeln eintritt? c Eisen 0,45 kJ ; kg C g 10 m2 ; s GP_A0147 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0147) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 6. a) Die Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau eines 4-Takt Ottomotors. Benenne die Komponenten 1 bis 9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b) Was strömt an der Stelle A) in den Zylinder? c) Beschreibe die Arbeitsweise (Takte) eines 4-Takt Ottomotors. d) Nenne zwei Unterschiede zwischen Ottomotoren und Dieselmotoren. e) Die beim Verbrennen des Benzins freigesetzte Energie wird nur zu etwa 30% für die Fortbewegung und zu 4% für die elektrischen Systeme genutzt. Was geschieht mit der restlichen Energie? GP_A0147 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0147) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Ein PKW der Masse 1200 kg wird aus einer Geschwindigkeit von 108 km / h durch eine Vollbremsung bis zum Stillstand abgebremst. Die Energie beim Bremsen erwärmt die Bremsscheiben (Masse 10,0 kg; c Stahl 0,45 ... ). Wie groß ist die Temperaturerhöhung der Bremsscheiben? Eine Wärmeabgabe an die Umgebung bleibt dabei unberücksichtigt. 2. Auf die Module einer Photovoltaikanlage strahlt die Sonne mit einer Leistung von durchschnittlich 1300 Watt pro m2 . Die Strahlungsleistung der Sonne wird in den Solarmodulen mit einem Wirkungsgrad von 18% in elektrische Leistung umgesetzt. a) Welche Fläche würde eine Photovoltaikanlage bedecken, um ein großes Kohlekraftwerk mit 1200 MW Leistung zu ersetzen? b) Nenne Vor- und Nachteile der Energiegewinnung durch Sonnenstrahlung. 3. Aus der Tabelle kann man ersehen, wie viel Energie benötigt wird (gerundete Werte), um 1,0 g eines Stoffes um 1,0°C zu erwärmen: Stoff (1,0 g) Wasser Alkohol Petroleum Olivenöl Milch Energie in J 4,2 2,4 2,1 2,0 3,9 Mit einem elektrischen Wasserkocher sollen 1,2 Kilogramm Wasser von 20°C auf 60°C erwärmt werden. Der Kocher trägt die Aufschrift 230 V / 1,4 kW. a) Wie viel Energie muss der Wasserkocher aufbringen? b) Berechne, wie lange der Vorgang mindestens dauert. c) Schätze ohne Rechnung aber mit kurzer Begründung ab, wie lange das Erwärmen von 0,6 kg Petroleum von 10°C auf 90°C beträgt. 4. Orte mit „Landklima“ und Orte mit „Meeresklima“ haben während eines Sommertages (bei etwa gleicher Sonneneinstrahlung) unterschiedliche Temperaturverläufe. Nebenstehende Abbildung zeigt einen solchen Temperaturverlauf innerhalb von 24 h an einem kontinentalen und einem ozeanischen Ort. Erkläre die physikalische Ursache dieser Unterschiede. 5. a) Die spezifische Wärmekapazität ist eine wichtige physikalische Eigenschaft bei der Berechnung der inneren Energie. Erkläre die physikalische Bedeutung dieser Konstante. b) Nenne drei verschiedene Beispiele, wo die spezif. Wärmekapazität von Wasser eine Rolle spielt. GP_A0148 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0148) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Richtig oder falsch? a) Temperatur ist das gleiche wie Wärme. b) Durch Reibungsarbeit erhöht sich die innere Energie des Körpers, an dem die Reibung stattfindet. c) Die Energie, die man zum Schmelzen benötigt, wird beim Erstarren derselben Stoffmenge wieder frei. d) Beim Verdampfen steigt die Temperatur solange weiter an, bis alles verdampft ist. Danach steigt die Temperatur noch schneller. e) Damit Wasser verdunstet, muss eine Temperatur von 100°C erreicht sein. f) Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische und potenzielle Energie eines Körpers. 2. a) Was ist das wichtigste Merkmal der Kelvin-Skala? Was ist das Besondere an 0°C, an 0 K und an 373,15 K ? b) Stickstoff hat eine Siedetemperatur von 77,3 K, Helium wechselt seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig bei 4,1 K. Gib diese Temperaturen in °C an. c) Im Sommer kann es 40°C warm, im Winter 25C kalt werden. Wandle die beiden Temperaturen in Kelvin um und berechne den prozentualen Temperaturanstieg, bezogen auf die Wintertemperatur. 3. Das nebenstehende Diagramm zeigt den prinzipiellen Temperaturverlauf beim Erwärmen von Wassereis (die Zeichnung ist nicht maßstäblich). Beschrifte die Achsen mit den gemessenen Größen (Temperatur, Zeit) und erkläre den Kurvenverlauf in den Abschnitten A bis E. 4. Maike hat sich ein Getränk zubereitet ( m 1 300 g; 1 36C ) , das sie mit Eiswürfeln ( m 2 50 g; 2 0C ) abkühlt. Nachdem das Eis vollständig geschmolzen ist hat das Getränk eine Temperatur von m 10C . Welche spezifische Wärmekapazität hat das Getränk? Physikalische Konstanten: q S 334 kJ / kg; c W 4,2 kJ / (kg C) 5. Beschreibe die „Anomalie des Wassers“ . 6. In einer Fritteuse wird 2 kg Speiseöl von 8°C auf 135°C erhitzt. Seine Siedetemperatur liegt bei etwa 300°C, die spez. Wärmekapazität des Öls ist c Öl 2,1kJ / (kg C) . a) Welche Energie ist zum Erhitzen notwendig? b) Könnte mit derselben Energie 1,5 kg Butterschmalz (gleiche spez. Wärmekapaz.) von 8°C auf 135°C erhitzt werden? Begründung! GP_A0149 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0149) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Stelle zuerst die Lösungsformeln auf und berechne anschließend! a) Um den Inhalt eines Warmwasserboilers von 12°C auf 28°C zu erwärmen, muss die Wärmemenge Q 2,4 MJ zugeführt werden. Wie viel Liter Wasser wurden erwärmt? b) Das Wasser in einem Schwimmbecken kühlt während der Nacht um 15% ab, sodass seine Temperatur am Morgen nur noch 23°C beträgt. Welche Temperatur hatte das Wasser im Schwimmbecken vor dem Abkühlen? 2. a) Die innere Energie einer 2€ - Münze kann auf verschiedene Weise erhöht werden. Nenne drei unterschiedliche Methoden und erläutere kurz, was dabei mit den Teilchen der Münze passiert. b) Steckt man die Hand in eine (von innen) blanke Blechdose – ohne dabei die Wand zu berühren – so hat man ein deutliches Wärmegefühl. Erkläre dieses Verhalten. c) An einem heißen Sommertag wird der aus Stahl erbaute Pariser Eiffelturm nicht nur ein wenig höher, sondern er biegt sich auch auf eine Seite. Was könnte der Grund für diese Verbiegung sein? 3. Emma freut sich schon auf ihr warmes Wannenbad. Ihre (annähernd quaderförmige) Wanne ist 1,6 m lang und 45 cm breit. Sie lässt das Wasser 30 cm hoch einlaufen bei einer Temperatur von 40°C. Das Wasser wird in einer Gastherme erhitzt und strömt mit 12°C in die Gastherme ein. Eine Kilowattstunde Heizgas kostet 4,5 ct, ein m3 Wasser (incl. Abwasser) 5,50 €. Der Wirkungsgrad der Gastherme wird mit 80% angenommen. Welche Kosten entstehen durch das Wannenbad? 4. Um 17 g Alkohol der Temperatur 24°C vollständig zu verdampfen, benötigt man die Wärmeenergie 16,2 kJ. Berechne die spezifische Verdampfungswärme von Alkohol. Materialkonstanten: c Alk 2,4 kJ ; Alk Sieden 78C . kg C Zeichne zu diesem Vorgang ein Q - - Diagramm. 5. Richtig oder falsch? Begründe und erkläre kurz! a) Der elektrische Widerstand eines Eisendrahtes nimmt bei Erwärmung zu. b) Beim Verdunsten einer Flüssigkeit erwärmt sie sich. c) Der Name Konstantan (eine Kupfer-Nickel-Legierung) kommt daher, weil das Material in Istanbul, das früher Konstantinopel hieß, erfunden wurde. d) Wenn ein funktionsfähiges Glühlämpchen nicht leuchtet, dann fließt auch kein Strom durch das Lämpchen. GP_A0150 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0150) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Bei folgenden Vorgängen ändert sich die Temperatur. Erkläre kurz den Grund unter Verwendung physikalisch zutreffender Begriffe. a) Ein Bohrer erhitzt sich beim Bohren. b) Heißer Kaffee kühlt schneller ab, wenn man kalte Milch hinzu gibt. c) Das Schlafzimmer wird warm, wenn man den Heizkörper aufdreht. 2. In einer Fritteuse sollen 2,5 kg Öl von 20°C auf 140°C erhitzt werden. Damit 1,0 g Öl um 1,0 °C erwärmt werden kann, benötigt man 2,2 Joule. a) Wie viel Energie wird zum Erhitzen des ganzen Öls benötigt b) Wie lange dauert das Erhitzen, wenn die Fritteuse eine elektrische Leistung von 1,5 kW abgibt? c) Warum dauert das Erhitzen länger, als in b) berechnet? 3. Emma bläst morgens am Pool ihre Luftmatratze mit einem Blasebalg auf. Es wird angenommen, dass die Temperatur der 65 Liter Luft in der Matratze 23°C beträgt und einen Druck von 1200 hPa aufweist. Nachdem die Luftmatratze einige Zeit in der Sonne liegt nimmt ihr Volumen um 2% zu. Dabei steigt die Lufttemperatur in der Matratze auf 62°C. Um wie viel Prozent erhöht sich der Druck in der Luftmatratze? 4. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialkonstante. Sie gibt an, wie gut ein Material Wärme leiten (also weitergeben) kann. Je kleiner der Zahlenwert, umso schlechter ist W die Leitfähigkeit. Einheit der Wärmeleitzahl: [ ] m K a) Die Abbildung rechts zeigt zwei mögliche Querschnitte durch Fenster, die beide gleich dick sind. Das rechte Fenster hat eine einzige massive Glasscheibe, das linke Fenster hat zwei dünnere Glasscheiben mit einer Luftschicht dazwischen. Entscheide und begründe, durch welches Fenster weniger Wärme nach außen gelangt. b) Was versteht man unter Konvektion, was unter Wärmestrahlung? Material Wärmeleitzahl in Wasser Luft Glas Laubholz Beton Aluminium Vakuum 0,56 0,03 0,76 0,18 2,10 236 0 GP_A0151 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0151) W m K 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 5. Drei verschiedene Bimetallstreifen (vgl. Bild rechts) werden erwärmt. a) Zeichne die Richtung ihrer Krümmung hier ein. b) Warum krümmt sich ein Bimetallstreifen bei Erwärmung? c) Der unterste Bimetallstreifen wird nun umgedreht (die Eisenfläche liegt dann oben) In welche Richtung krümmt sich das Bimetall jetzt bei Erwärmung? Begründung! Längenausdehnungskoeffizienten in 1 C Eisen: 0,000012; Kupfer: 0,000016; Zink: 0,000036; Stahl: 0,000012. GP_A0151 **** Lösungen 2 Seiten (GP_L0151) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Eine Wärmflasche ist mit 2 Liter heißem Wasser gefüllt. Was geschieht mit der Temperatur in der Wärmflasche, was mit ihrer thermischen Energie, wenn die Hälfte des Wassers ausgegossen wird. 2. Ein Quecksilberthermometer, (seit 2009 in der EU nicht mehr im Handel) das schnell in eine warme Flüssigkeit getaucht wird, zeigt zuerst ein Fallen der Quecksilbersäule, dann erst ein Steigen. Erkläre diese Beobachtung. Tipp: Denke an den Aufbau des Thermometers. 3. Berechne die Temperatur, die eine Wassermenge von 25 Litern und einer Ausgangstemperatur von 16°C nach Zufuhr von 1 MJ aufweist. 4. Berechne die Längenausdehnung einer 150 m langen Eisenbahnbrücke wenn sie Temperaturschwankungen von , 25↓C bis 60°C ausgesetzt ist. Materialkonstante: < 0,000012 1 ↓C 5. Angenommen, die spezifische Erstarrungsenergie von Wasser bzw. die spezifische Schmelzenergie von Eis wäre wesentlich kleiner als 334 kJ / kg . Welche Auswirkungen hätte dies a) im Winter für das Zufrieren von Gewässern? b) im Frühjahr für die Schneeschmelze? 6. Berechne die Energiemenge, die zum Schmelzen von 0,5 kg Eis sowie zum Verdampfen von 0,5 Litern Wasser notwendig ist. Materialkonstanten: q S < 334 kJ ; r W < 2256 kJ . kg kg 7. Vervollständige den folgenden Lückentext mit den richtigen Aussagen: ♣ Ein Bimetallstreifen wird an einem Ende waagerecht eingespannt und dann erwärmt. Das freie Ende biegt sich beim Erwärmen nach oben, wenn der …………………………………………………….des oben liegenden Metalls ………………………………….. als der des unten liegenden. ♣ 1 kg Wasser hat bei …………… sein kleinstes ……………………….. und damit seine größte …………………………………………………… ♣ Die …………………………. eines Körpers sinkt, wenn die innere Energie der darin enthaltenen Teilchen abnimmt. ♣ Der Luftdruck in …………………………….. ist annähernd so groß wie der Wasserdruck in ………………… Tiefe. GP_A0380 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0380) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 8. Wandle nachvollziehbar um in J: 10 kWh < ………………………………………………………….. in km : h 5 m < ………………………………………………………………. s Wie lautet die Definition und die Formel der mechanischen Arbeit W:…………………………………………………. …………………………………………………………………………………... des Wirkungsgrades:………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………… Wie lautet die Formel für die Spannarbeit:…………………………………………………………………….. Wärmeenergie:…………………………………………………………………. Wie lauten die physikalischen Konstanten für die Fallbeschleunigung auf der Erde:…………………………………………….. Elementarladung:……………………………………………………………….. GP_A0380 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0380) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Ein Maßstab aus Stahl ist auf 20°C geeicht, d.h. er misst bei dieser Temperatur die richtige Länge. Der Maßstab wird nun bei 30 C zur Längenmessung eingesetzt. a) Ist der Gegenstand länger, gleich lang oder kürzer als der gemessene Wert. Begründung! b) Berechne die Längenänderungen für die in Teilaufgabe a) genannte Temperaturdifferenz für einen Maßstab aus Stahl und für einen Maßstab aus Invar (EisenNickel-Legierung mit sehr geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten). Beide Maßstäbe haben bei 20°C eine Länge von 2,0 m. Um wie viel Prozent ist der Maßstab aus Stahl bei 30 C kürzer als bei 20 C ? Längenausdehnungskoeffizienten in 1 Stahl: 0,000012, Invar: 0,000002 C 2. Von einem Pkw sind folgende Daten gegeben: Masse des Pkw: 1400 kg, Wirkungsgrad des Ottomotors: 34%, Heizwert des getankten Benzins: 42,8 103 kJ / kg Alle Reibungseffekte sind zu vernachlässigen. a) Berechne die Energiemenge, die durch 0,1 kg Benzin vom Motor in Bewegung umgesetzt werden kann. b) Der Pkw wird auf ebener Strecke beschleunigt. Welche Geschwindigkeit erreicht das Fahrzeug, wenn zum Beschleunigen 0,1 kg Benzin eingesetzt werden? c) Wie lange würde dieser Beschleunigungsvorgang dauern, wenn die Motorleistung mit konstant 49 kW angenommen wird? 3. 1,8 Liter Wasser werden mit einem Tauchsieder von 12°C auf 35°C erwärmt. a) Welche Energie ist dazu notwendig? Hinweis: Eine Temperaturerhöhung von 1 °C hat zur Folge, dass die innere Energie von 1 g Wasser um E 4,2 J zunimmt. b) Wie groß ist die Leistung des Tauchsieders, wenn das Wasser in 120 Sekunden erwärmt wurde? c) Am Tauchsieder liegt die Netzspannung U fließt dann durch den Tauchsieder? 230 V an. Welche Stromstärke 4. In Wasser von 85°C werden 120 g Wasserdampf von 100°C geleitet, so dass anschließend das Wasser auch 100°C heiß ist. ( rW 2256 kJ / kg ) Wie viel Wasser wird erhitzt? 5. Beim Föhnen der Haare kannst du folgende Beobachtung machen: Solange die Haare noch feucht sind, ist der heiße Luftstrom des Föns wenig spürbar, mitunter erscheint er sogar zu kühlen. Bei trockenen Haaren merkst du, dass der Luftstrom tatsächlich heiß ist. Wie sind die Unterschiede zu erklären? GP_A0381 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0381) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Gib den absoluten Nullpunkt der Temperatur in der Einheit Grad Celsius an. 2. Wie kann man sich im Teilchenmodell das Verdampfen (bei Siedetemperatur) einer Flüssigkeit vorstellen? Verwende bei deiner kurzen Erklärung die beiden Begriffe Energie und Temperatur. 3. Eine Wassermenge der Masse 250 g und der Temperatur 25°C wird solange erwärmt, bis sie vollständig in Wasserdampf umgewandelt ist. Welche Energiezufuhr ist dazu insgesamt mindestens notwendig? kJ kJ ; r Wasser 2256 Materialkonstanten: c Wasser 4,19 kg C kg 4. Gib für jede der beiden Aussagen an, ob sie richtig oder falsch sind. Begründe deine Entscheidungen in kurzen Sätzen. A: „Wird ein Stein der Temperatur 60°C in Wasser von 20°C gelegt, so ergibt sich nach einiger Zeit eine gemeinsame Temperatur von 40°C.“ B: „In 3,5 kg Salz steckt bei der gleichen Temperatur fünfmal so viel Energie wie in 700 g Salz.“ 5. Welche Energie wird beim Verbrennen von 20 kg Steinkohle frei gesetzt, wenn der Heizwert von Steinkohle 30 MJ / kg beträgt? 6. Ein Eisblock der Masse 2 kg und der Temperatur 18 C wird erwärmt. Das Eis schmilzt vollständig und das Wasser wird erwärmt bis es 25°C erreicht hat. kJ kJ ; q S Eis 334 Materialkonstanten: c Eis 2,1 kg C kg a) Um welche Konstanten handelt es sich? Welche Informationen liefern sie jeweils? b) Wie viel Energie muss man beim oben geschilderten Vorgang insgesamt mindestens zuführen? 7. a) Benenne die zwei Takte eines Ottomotors: 2. Takt: ………………………………… 4. Takt: ……………………………………. b) Vervollständige den folgenden Lückentext: Ein- und Auslassventile werden im richtigen Moment durch die ……………………… geöffnet und geschlossen. Die Kurbelwelle bewegt über die ………………………………… einen Kolben im Zylinder auf und ab. Die Differenz zwischen oberem und unterem Punkt wird „Hub“ genannt. 8. Beschreibe in wenigen Sätzen wie eine Wärmepumpe funktioniert. GP_A0382 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0382) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Bei Fieber können Wadenwickel mit feuchten Tüchern eine Abnahme der Körpertemperatur bewirken. Wie nennt man den physikalischen Prozess, der hier stattfindet? Erkläre mit dem Teilchenmodell, wie es zur Senkung der Körpertemperatur kommt. 2. Es ist Hochsommer und du möchtest deine warm gewordene Cola abkühlen. Was hilft beim Abkühlen besser: Einen 10 g schweren Eiswürfel der Temperatur 0°C in die Cola geben, oder 10 ml Wasser der Temperatur 0°C in die Cola schütten? Begründung! Tipp: 1 Liter Wasser hat die Masse 1 kg. 3. In einem Thermosgefäß wurden 1000 g einer Flüssigkeit erwärmt. Im Diagramm rechts ist der Zusammenhang zwischen Temperaturerhöhung und zugeführter Wärme dargestellt. Welche Flüssigkeit (Spiritus, Benzin oder Wasser) wurde erwärmt? Begründe deine Antwort. Materialkonstanten: Stoff c in kJ / kg C Wasser Öl Spiritus 4,2 2,0 2,5 4. Um ein Viertel Liter Milch von 8°C Kühlschranktemperatur auf 60°C zu erwärmen muss der Milchkocher mindestens 50 kJ Wärme an die Milch abgeben. Bestimme aus diesen Angaben die spezifische Wärmekapazität von Milch. Du kannst davon ausgehen, dass 1 Liter Milch die gleiche Masse hat wie ein Liter Wasser. 5. Für ein Schulfest mischt Sabine 0,4 Liter Himbeersirup mit 2 Liter Wasser. Der Sirup hat eine Temperatur von 35°C, das Wasser von 12°C. Der Himbeersirup hat eine Dichte von 1,4 g / cm3 und eine spezifische Wärmekapazität von c S 2,4 J . g C a) Berechne die Masse des Sirups. b) Bestimme die Temperatur des fertig gemischten Getränks. c) Die in Teilaufgabe b) berechnete Mischtemperatur weicht von dem tatsächlich sich einstellenden Wert ab. In welche Richtung weicht sie ab? Begründung angeben! 6. Ein Stickstoffmolekül besteht aus je 14 Protonen, Neutronen und Elektronen, ein Sauerstoffmolekül aus je 16 Protonen, Neutronen und Elektronen. In einem Behälter sind sehr viele Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle eingeschlossen. Die Temperatur des Gasgemischs liegt bei 25°C. Wie unterscheidet sich die mittlere Geschwindigkeit der Sauerstoffmoleküle von der mittleren Geschwindigkeit der Stickstoffmoleküle? Begründung angeben! GP_A0383 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0383) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 Zeitbedarf: 60 min. 1. Auf die kreisförmige Luke eines U-Bootes wirkt aufgrund des herrschenden Wasserdrucks p 895 kPa eine Druckkraft von 395 kN. Bestimme den Radius der Luke. Es genügt, nur bis zur fertigen Lösungsformel zu rechnen. 2. a) Zwei ölgefüllte Kolben mit beweglichem Kolbenboden sind miteinander verbunden. Die beiden Kolbenflächen sind A 1 5,9 cm2 und A 2 46 cm2 . Berechne, welche Kraft F2 erforderlich ist, um die Kolben im Gleichgewicht zu halten, wenn die Kraft F1 auf den linken Kolben 12,7 N beträgt? b) Leite eine Formel für den Schweredruck in einer Flüssigkeit her (in Abhängigkeit des Ortsfaktors, der Flüssigkeitsdichte und der Eintauchtiefe). c) Die Einfüllöffnung einer Wasserflasche hat eine Querschnittsfläche von 4,0 cm2 . Die geöffnete Flasche wird umgedreht und auf die Öffnung gestellt. Damit keine Wasser ausläuft, wird die Einfüllöffnung mit einer Kraft von 1 N zugehalten. Berechne den Wasserstand in der umgedrehten Flasche. 3. Ein Eiswürfel der Temperatur Eis 0,0 C und der Dichte Eis 0,920 kg / dm3 hat eine Kantenlänge von a 45,0 mm und nimmt beim Schmelzen die Wärme Q 28,0 kJ auf. Q . Die Lösungsformel für die spezifische Schmelzwärme s von Eis lautet: s a3 Berechne mit dieser Formel die spezifische Schmelzwärme s des Eises. Das Ergebnis ist in der Einheit kJ / kg anzugeben. 4. a) Nenne die Gültigkeitsbedingungen für die Formel zur Berechnung der Längenänderung. b) Was versteht man unter dem Längenausdehnungskoeffizienten? 5. Ein Maßband aus Stahl ist bei 20°C geeicht. Es wird bei 35°C zu Messungen verwendet. Erhält man ein zu großes oder ein zu kleines Messergebnis? Begründe! 6. Eine 800 cm lange Aluminiumstange wird in 2 Teile zerteilt. Beide Stangen werden um 70°C erwärmt. Dabei verlängert sich die eine Stange um 2 mm mehr als die andere. Welche Länge haben die beiden Stangen vor der Erwärmung? ( 0,000024 ... ) 7. Ein kleiner Saal (Länge: 8,0 m; Breite: 6,0 m; Höhe: 2,8 m) wird im Winter frühmorgens von 10°C auf 23°C aufgeheizt. Die im Zimmer befindliche Luft dehnt sich dabei aus. Es wird angenommen, der Luftdruck im Saal bleibt konstant. Wie viel Kubikmeter Luft entweichen während der Erwärmung aus dem Saal? GP_A0384 **** Lösungen 5 Seiten (GP_L0384) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Alkohol (Ethanol) siedet bei 78°C. a) Erläutere, was man unter der Verdampfungswärme eines Stoffes versteht. b) In einem Experiment wurden 200 g Alkohol der Temperatur 20°C erwärmt und vollständig in Dampf übergeführt. Dafür wurden 200 kJ Energie zugeführt. Berechne aus diesen Werten die spezifische Verdampfungswärme des Alkohols. Tabellenwert: c Alk 2,43 ... 2. Der Wasserdruck in einer Hauswasserleitung beträgt 6,0 bar. Bei Renovierungsarbeiten wird versehentlich ein Loch von 1,2 cm2 Fläche in eine Wasserleitung gebohrt. Mit welcher Kraft muss eine Manschette mindestens auf das Loch gepresst werden, um den Wasseraustritt zu unterbinden? 3. Hydraulische Pressen werden zum Anheben schwerer Lasten eingesetzt. a) Zeichne den Aufbau einer hydraulischen Presse und erkläre deren Funktionsweise. b) Der Pumpkolben einer bestimmten Presse hat eine innere Querschnittsfläche von 10 cm2 . Es steht eine maximale Pumpkraft von 250 N zur Verfügung. Welche Querschnittsfläche muss der Lastkolben haben, damit dort Kräfte bis 15 kN entstehen? 4. Der abgebildete Handwerker steht mit nassen Füssen im Badezimmer und trifft mit seinem Werkzeug eine 230V - Leitung. Das Bild zeigt die elektrischen Widerstände von Arm, Oberkörper, Beinen und den Übergangswiderstand zwischen den Füßen und dem leitfähigen Boden. a) Zeige durch Rechnung, dass der Gesamtwiderstand aller 5 Widerstände 1450 beträgt. b) Bestimme die Stromstärke, die durch den Oberkörper des Handwerkers fließt. 5. Der Anlasser in einem Pkw hat beim Starten des Motors für kurze Zeit einen sehr hohen Strombedarf, den die Autobatterie liefern muss. Während einer Startdauer von 4 Sekunden fließt ein Strom von 250 A. Die Spannung an der Autobatterie beträgt dann 10,5 V. Berechne, wie viel elektrische Energie (in kWh) beim Anlassen des Motors umgewandelt wird. GP_A0385 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0385) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Energieentwertung tritt bei vielen Vorgängen auf. a) Was versteht man unter „Energieentwertung“? Was bedeutet der Begriff „Wirkungsgrad“? b) Erläutere die Energieentwertung bei einer elektrischen Bohrmaschine, deren Wirkungsgrad bei etwa 60% liegt. 2. a) Die Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau eines 4-Takt Dieselmotors. Benenne die Komponenten 1 bis 9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b) Was strömt an der Stelle A) in den Zylinder? c) Beschreibe die Arbeitsweise eines 4-Takt Dieselmotors. d) Nenne zwei Unterschiede zwischen Ottomotoren und Dieselmotoren. e) Gib ein Bespiel (mit Begründung) für den Einsatz eines Dieselmotors anstatt eines Ottomotors. 3. Nebenstehende Skizze stellt den schematischen Aufbau eines Kompressor-Kühlschranks dar. Erläutere mit wenigen Sätzen seine Funktionsweise. GP_A0386 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0386) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 4. Bei einem Kamelritt durch die Wüste ist das Wasser in einer Trinkflasche 45°C warm geworden. Von diesem Wasser wird ein Viertel Liter in eine flache Schüssel gegeben. Nach einer Weile ist das Wasser kühler geworden, obwohl die Lufttemperatur hoch ist. Allerdings sind dabei 10 ml des Wassers verdunstet. a) Warum ist die Temperatur des Wassers gesunken? Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells. b) Wie viel Energie ist zum Verdunsten der 10 ml Wasser erforderlich? 5. a) Die Oberflächentemperatur auf dem Mars bewegt sich zwischen 25°C und 138 C . Bestimme die Temperaturdifferenz auf dem Mars in °C. Ermittle die höchste- bzw. niedrigste Temperatur in Kelvin. Wie groß ist die Temperaturdifferenz in Kelvin? b) Beschreibe kurz, was man in der Physik unter dem Begriff „Temperatur“ versteht, und erkläre mit Hilfe dieser Beschreibung, warum es einen absoluten Temperaturnullpunkt gibt. GP_A0386 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0386) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. a) Wie groß ist bei 20°C die Dichte der Luft in Meereshöhe? (1 Kommastelle) b) Nenne zwei Gase mit geringerer Dichte als Luft. c) Ein Mensch mit 120 kg Masse hat ein Volumen von ungefähr 0,9 m3 . Wie viel Masse an Luft, verdrängt er? Wie viel zeigt eine Waage wegen dieses Auftriebs zu wenig an? 2. a) Erkläre die Ursache der Auftriebskraft. b) Formuliere das Auftriebsgesetz von Archimedes in Worten. c) Gib die Formel an, mit der man die Auftriebskraft berechnen kann. (Herleitung nicht erforderlich) 3. Die gezeichnete Balkenwaage ist unter einer Vakuumglocke von der Außenluft abgeschirmt. Wird die Luft unter der Glocke herausgesaugt, herrscht Vakuum unter der Glocke. Die im Innern befindliche Balkenwaage ist so eingestellt, dass bei Vakuum Gleichgewicht herrscht. Was würde passieren, wenn man das Vakuum in der Waage aufhebt, indem Luft unter die Glocke einströmt? Begründe kurz! 4. Das Raumschiff Galaxy - One entdeckt einen bisher noch unbekannten Planeten und findet dort einen riesigen Quecksilbersee. Messungen ergeben für diesen Planeten eine Fallbeschleunigung von g 30 m / s2 . a) Um den Quecksilbersee zu untersuchen wird eine Sonde in den See hinabgelassen. Berechne den Schweredruck, den die Sonde in 5,0 m Tiefe aushalten muss und gib diesen Wert in Pa und bar an. b) Berechne die Kraft, die in dieser Tiefe auf eine 20 mm2 große Sensorfläche wirkt. Dichte von Quecksilber: 5. Hg 13,5 g / cm3 Um die spezifische Wärmekapazität von Petroleum zu bestimmen, wurden 600 g Petroleum mit einem Heizgerät erwärmt und dabei jeweils die insgesamt zugeführte Wärmeenergie und die zugehörige Temperaturänderung des Petroleums bestimmt. Es ergaben sich folgende Messwerte: Zugeführte Wärmeenergie in kJ 0 20 40 60 80 Temperaturänderung in °C 0 16 30 50 64 Bestimme unter Verwendung einer geeigneten grafischen Darstellung die sich aus der Messreihe ergebende spezifische Wärmekapazität von Petroleum. GP_A0387 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0387) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. a) Was versteht man unter der „Brownschen Bewegung“ (manchmal auch „Bownsche Molekularbewegung“ genannt)? Was entdeckte der schottische Biologe Brown bei seinen Versuchen? b) Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Brownsche Bewegung? 2. a) Beschreibe mit Hilfe einer Zeichnung Aufbau und Funktionsweise eines Flüssigkeitsthermometers. b) Beschreibe einen Versuch mit dem man ein Flüssigkeitsthermometer mit einer Celsiusskala herstellen kann. c) Warum verwendet man in Flüssigkeitsthermometern verschiedene Flüssigkeiten? d) Warum eignet sich Wasser nicht als Füllung für ein Thermometer? e) Bis zum Jahre 2009 wurden auch Quecksilberthermometer in der EU vertrieben; dies ist nun nicht mehr erlaubt. Nenne den Grund hierfür. 3. a) In nebenstehendem Diagramm wird für Wasser (V = 2,8 l) der Zusammenhang zwischen der zugeführten Wärme Q und der Temperatur dargestellt. Welche Aggregatzustände hat das Wasser in den Abschnitten a) bis c)? b) Wie groß ist die insgesamt zugeführte Wärme? Konstanten: c W 4,2 kJ ; cD 1,9 kJ ; q V 2260 kJ kg C kg C kg 4. Der Dieselmotor eines LKW gibt bei konstanter Geschwindigkeit von 80 km / h eine Leistung von 84 kW ab. Der Gesamtwirkungsgrad wird mit 32% angenommen. Der Heizwert von Dieselkraftstoff beträgt 37 MJ pro Liter. a) Wie viele Liter Dieselkraftstoff werden in 1 Minute im Motor verbrannt? b) Wie viel Liter Dieselkraftstoff benötigt der LKW für 100 km Fahrstrecke? 5. Eine bestimmte Menge Luft wird isobar erwärmt. Dabei wurde das Volumen V in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen. Messwerte siehe folgende Tabelle. in °C 3 V in cm T in K 5 55,6 20 59 40 63 70 68,5 V / T in cm3 / K a) Ergänze die fehlenden Werte der Tabelle. b) Bei welcher Temperatur (in °C) hat das Gas ein Volumen von 50 cm3 ? c) Hat das Gesetz von Gay-Lussac hier Gültigkeit? GP_A0388 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0388) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Von einem elektrischen Gerät wurde nebenstehende Kennlinie aufgenommen. Hinweis zu den Teilaufgaben: Zeichne in das Diagramm ein, wo du abgelesen hast. a) Bestimme den Widerstand des Geräts, bei einer angelegten Spannung von 20 V. b) Bestimme den Widerstand, wenn ein Strom der Stärke 45 mA fließt? c) Wie groß ist die elektrische Ladung, die bei einer Spannung von 10 V in 3 Minuten durch das Gerät fließt? 2. Ein Alkali-Mangan Batterieblock hat eine Leerlaufspannung von U0 Kurzschlussstrom von IK 6,0 A . 9,0 V und einen a) Wie viele Alkali-Mangan-Zellen enthält die Batterie und wie sind diese zusammengeschaltet? b) Stelle die kurzgeschlossene Batterie einschließlich Innenwiderstand mit einem Schaltplan dar und berechne den Innenwiderstand dieser Batterie. 3. Der Akku (7,2 V / 2600 mAh) eines Video Camcorders ist nach Aufnahme eines Films zu 75% entladen. Innerhalb von 90 min lädt das Ladegerät den Akku wieder voll auf. Berechne die durchschnittliche Stromstärke während des Ladevorgangs. Welche Energie ist in dem vollgeladenen Akku gespeichert? 4. Der Anlasser eines PKWs mit 12 V - Batterie hat den elektrischen Widerstand R 1 0,067 . Parallel zum Anlasser liegt noch ein Schaltmagnet mit R 2 0,58 . Die beiden Leitungen zum Anlasser haben einen Widerstand von jeweils R 3 0,010 . a) Wie groß ist der Batteriestrom beim Anlassen des PKW? b) Welche Spannung UA liegt am Anlasser an? c) Welche Ladung fließt, wenn das Anlassen 10 s dauert. Wie viel Elektronen fließen dabei? e 1,6 10 19 C d) Wie viele Minuten lang kann der PKW angelassen werden, wenn die Batterie mit Q 55 Ah geladen ist. GP_A0389 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0389) 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de Gymnasium 2. Physikschulaufgabe Klasse 8 / G8 1. Für ein Wannenbad werden 160 Liter Wasser von 12°C auf 38°C erwärmt. a) Wie viel Energie ist für das Erwärmen des Wassers notwendig? b) Im vorliegenden Fall wird das Wasser mit einer Heizungsanlage (Wirkungsgrad 90%) erwärmt, die mit Heizöl betrieben wird. Wie viel Liter Heizöl sind erforderlich bei einem Energiewert von 36 MJ pro Liter Öl? c) Was kostet das Erwärmen des Wassers für ein Wannenbad bei einem Ölpreis von 1,20 € pro Liter? d) Das Wasser in der Badewanne wird ständig kälter. Erkläre mit knappen Sätzen zwei physikalische Effekte, die dies bewirken. e) Gibt man zusätzlich Eis in die Wanne dann kühlt das Wasser stärker ab. Erkläre physikalisch den Abkühlvorgang. 2. Ein Hagelkorn der Temperatur 0°C und der Masse 8 g befindet sich in einer Höhe von 2,8 km über dem Boden. a) Welche Höhenenergie hat das Hagelkorn? b) Wie viel Prozent schmelzen beim Herabfallen durch Reibung, wenn zum Schmelzen von 1 g Eis 334 J erforderlich sind? (Die Fallgeschwindigkeit sei konstant.) 3. In 0,75 Liter Fruchtsaft von 20°C werden Eiswürfel von 8 C gegeben um ein kühles Getränk zu erhalten. a) Zeichne ein Energieflussdiagramm für diesen Vorgang. b) Formuliere die Energiebilanz in einer Gleichung und berechne, wie viel Gramm Eis mindestens zugegeben werden müssen, um das Gemisch auf 0°C abzukühlen. (Das Getränk kann physikalisch als Wasser betrachtet werden.) 4. a) Beschreibe, welchen Vorgang das Diagramm rechts darstellen könnte. Was bedeutet die waagerechte Linie? Was ist die Ursache der unterschiedlichen Steigungen am Anfang und am Ende? b) Erkläre, warum es gefährlicher ist sich mit Wasserdampf von 100°C zu verbrühen als mit Wasser von 100°C (jeweils gleiche Menge vorausgesetzt)? c) Warum kann Luft leicht komprimiert werden (z.B. in einem Fahrradreifen), Wasser oder Öl praktisch gar nicht? d) Weinbauern besprengen im Frühjahr bei Frostgefahr oft ihre Weinreben mit Wasser. Erläutere den physikalischen Hintergrund hierfür. Konstanten: c W 4,2 kJ ; rEis kg K GP_A0390 **** Lösungen 4 Seiten (GP_L0390) J 334 ; g 1 (1) www.mathe-physik-aufgaben.de
