Grundwissen-Aufgaben Physik 8. Jahrgangsstufe

Grundwissen-Aufgaben Physik 8. Jahrgangsstufe
I. Mechanik
1) Pauli (36kg) und seine Schwester (24kg) wollen auf die Wippe. Die Wippe ist symmetrisch und hat
eine Länge von 4,2m. Lisa möchte ganz außen sitzen. Wo muss sich Pauli hinsetzen, damit die Wippe
im Gleichgewicht ist?
2) Ein schweres Fass soll auf die Ladefläche eines LKW (Höhe 1,50m) gehoben werden. Um das
Aufladen zu erleichtern, wird dafür ein Brett der Länge 4,0m angelegt, auf der das Fass hochgerollt
wird. Zum Hochrollen ist eine Kraft von 440 N notwendig.
a) Wie schwer ist das Fass?
b) Welche Arbeit ist beim Hochrollen zu verrichten?
c) Welche Arbeit wäre zu verrichten, wenn das Fass direkt hochgehoben werden würde?
3) Herr Meier (75 kg) geht von Garmisch-Partenkirchen aus (720 m ü. NN) auf die Zugspitze (2965 m).
Um wie viel nimmt seine potenzielle Energie zu?
4) Ein PKW (1,2 t) beschleunigt aus der Ruhe auf eine Endgeschwindigkeit von 72 km pro
Stunde. Welche kinetische Energie hat er dann?
5) Eine Feder der Härte 1,5 N pro cm wird (aus der Ruhelage) um 8,0cm gedehnt! Welche
Spannenergie steckt nun in der Feder?
6) Die Kugel eines Fadenpendels wird ausgelenkt und dabei auf die Höhe h = 12cm angehoben.
a) Mit welcher Geschwindigkeit schwingt die Kugel durch die Ruhelage?
b) Wie hoch müsste man die Kugel auslenken, damit die Geschwindigkeit doppelt so groß wie bei a)
ist?
7) Ein PKW der Masse 1,2 Tonnen fährt bei einem Crashtest mit 30 km/h gegen eine Wand.
a) Wie groß ist die kinetische Energie des Autos? Was passiert mit dieser Energie beim Crashtest?
b) Aus welcher Höhe müsste der PKW fallen, um mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h am Boden
zu landen?
8) Ein Ball wird aus einer Ausgangshöhe von 1,6m über dem Boden nach oben geworfen und erreicht
eine maximale Höhe von 8,8 Metern.
a) Beschreibe die Energieumwandlungen!
b) Mit welcher Geschwindigkeit wurde der Ball abgeworfen?
c) Welche Geschwindigkeit hat der Ball in einer Höhe von 5,0m über dem Boden?
9) Ein Bergsteiger (mit Gepäck 90 kg) bewältigt einen Höhenunterschied von 1200 m in 2
Stunden 25 Minuten. Wie groß ist die mechanische Leistung des Bergsteigers?
10) Eine Pumpe mit der Leistung 2,0 kW soll 8000 Liter Wasser 5,0 m hoch pumpen.
a) Wie lange dauert das mindestens?
b) Wie lange dauert das, wenn man den Wirkungsgrad der Pumpe ( = 80%) kennt?
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II. Wärmelehre
1) Aufbau der Materie
Wie groß wäre die Fläche, die ein Eisenstück (ρFE = 7,86 kg/dm3) der Masse m = 1,0 kg einnähme,
wenn man es zu einer "einatomigen" Schicht (d ≈ 10-10 m) auswalzen könnte? Nimm an, dass die
Eisenatome würfelförmig sind.
3) Brown´sche Bewegung
a) Brown konnte im Mikroskop eine ungeordnete Bewegung von Teilchen sehen ("Mikro-Wimmeln").
In manchen Schriften wird diese Beobachtung als "Brownsche Molekularbewegung" bezeichnet.
Warum ist diese Bezeichnungsweise nicht ganz passend?
b) Verschieden große Pollenkörner befinden sich in einer Flüssigkeit. Was kann man über die Bewegung der kleineren Pollenkörner im Vergleich zu den größeren Pollenkörnern aussagen?
c) Wie ändert sich die Bewegung der Pollenkörner von Teilaufgabe b), wenn man die Temperatur der
Flüssigkeit, in der sich die Körner befinden, erhöht?
4) Begriffe Temperatur und Wärme
"Temperatur" und "Wärme" sind zwei Begriffe, die auch in der Alltagssprache verwendet werden. Oft
wird mit den beiden Begriffen das gleiche gemeint. Erläutere mit Hilfe der dargestellten
Gedankenversuche (Ausgangstemperatur ist in beiden Behältnissen die gleiche), dass ein Unterschied
zwischen den beiden Begriffen besteht.
5) Bimetall
Erkläre die Funktionsweise des nebenstehend abgebildeten Bimetallthermometers.
Welches Material hat den größeren Längenausdehnungskoeffizienten, wenn sich der Zeiger bei
Erwärmung nach rechts dreht?
6) Änderung der inneren Energie (1. Hauptsatz der Wärmelehre)
a) Einem System werden 45 J mechanische Arbeit und 125 J Wärme zugeführt. Wie ändert sich die
innere Energie des Systems?
b) Einem System werden 250 J Wärme zugeführt, dabei verrichtet das System eine mechanische Arbeit
von 200 J. Was kann man über die Änderung der inneren Energie des Systems sagen?
c) Bei einem Vorgang verliert das System 200 J innere Energie und gibt 150 J Wärme ab. Welche
Aussage lässt sich bei diesem Vorgang über die mechanische Arbeit machen?
7) Änderung der inneren Energie
Peter will ein warmes Bad nehmen. Das Badewasser (80 Liter) wird mit einem Durchlauferhitzer
(Heizleistung 3,5 kW) von 16°C (Leitungswasser) auf 55°C erwärmt.
a) Wie viel Energie ist für das Aufheizen von 80 Liter (Vollbad) erforderlich? Wie viel kostet damit
das Vollbad, wenn man für 1 kWh etwa 0,20 € zahlen muss.
b) Wie lange braucht der Durchlauferhitzer für das Aufheizen der 80 Liter?
8) Spezifische Wärme
In einem Becherglas werden 1000 g einer Flüssigkeit mit einem Tauchsieder erwärmt. Das Diagramm
zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperaturerhöhung und der vom Tauchsieder zugeführten
Wärme Q.
a) Interpretiere das Diagramm!
b) Welche Energie ist zum Erwärmen um 1,0°C von 1,0 g dieser Flüssigkeit erforderlich? Um welche
von den drei Flüssigkeiten Wasser, Spiritus oder Öl kann es sich handeln? (s. Tabelle S. 73)
8) Phasen im Teilchenmodell
Wasser kennst du in drei Aggregatszuständen. Beschreibe sie jeweils im Teilchenmodell.
9) Phasenübergänge
Durch eine Wärmequelle werden pro Minute 20 kJ geliefert. Es wird ein Eiswürfel von 100 g und –
20°C (cEis = 2,1 J/g) geschmolzen und das entstehende Wasser schließlich verdampft.
a) Zeichne ein t-∆Θ-Diagramm für den Temperaturbereich 20°C < -∆Θ < 100°C.
b) Deute an, wie das t-∆Θ -Diagramm für -∆Θ > 100°C verlaufen würde.
10) Längen – und Volumenausdehnung
http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/leifitest/index05.htm
11) Anomalie des Wassers
Im Sommer wird das Wasser im See nach unten hin immer kälter. Im Winter ist es genau andersherum:
Wie kann das sein?
III. Elektrische Energie
1) Ladung – Stromstärke –Energie:
Ein total entladener 12V-Autoakku wird 9,0 h lang mit der Ladestromstärke von 5,0 A geladen.
a) Welche Ladung (in Ah) hat der Akku beim Ladevorgang aufgenommen?
b) Wie viele Elementarladungen sind dies?
c) Welche Energie ist in dem aufgeladenen Akku gespeichert?
2) Energie – Widerstand – Leistung:
Ein Tauchsieder trägt die Aufschrift (600 W) wird an das Hausnetz mit 230 V angeschlossen.
a) Welche Stromstärke fließt durch den Tauchsieder?
b) Wie groß ist der elektrische Widerstand des Tauchsieders?
c) Wie lange dauert es, um mit diesem Tauchsieder 1,0 Liter Wasser von 16°C auf 90°C zu erwärmen
(cWasser = 4,19 J/(g °C) ), wenn 5 % der vom Tauchsieder gelieferten Energie an die Umgebung
(Gefäß und Luft) abgegeben werden? Welchem Wirkungsgrad des Tauchsieders entspricht das?
3) Reihenschaltung:
Eine Lichterkette, die direkt an 240V angeschlossen wird, besteht aus der Reihenschaltung von
Glühlämpchen (6,0V; 0,24W).
a) Wie viele Lämpchen befinden sich in der Kette?
b) Welche Gesamtleistung hat die Kette? Welcher Strom fließt beim Betrieb?
c) Welchen Gesamtwiderstand hat die Kette? Welchen Widerstand hat ein Lämpchen?
4) Parallelschaltung:
In einer Wohnung werden gleichzeitig drei Lampen an der Netzspannung von 230 V betrieben. Es sind
eine Stehlampe mit Halogenstab (100W), eine Wandbeleuchtung mit Energiesparlampe (15W) und
eine Deckenleuchte mit Glühlampe (60W).
a) Erstelle ein Schaltbild.
b) Berechne die Stromstärken und Widerstände in den einzelnen Zweigen und insgesamt.
c) Welche gesamte elektrische Leistung wird für die Beleuchtung umgesetzt.
5) Energieversorgung:
In einem Laufwasserkraftwerk strömen pro Sekunde 400 m3 Wasser eine 10 m hohe Staustufe hinab
und treiben über eine Turbine einen Generator an.
a) Welche Energieumwandlungen finden hierbei statt?
b) Der Wirkungsgrad des Kraftwerks liegt bei 85%. Wie viel elektrische Energie kann dieses
Kraftwerk an einem Tag in kWh erzeugen?
c) Berechne die Energie, die nötig ist, um für ein Vollbad 250 l Wasser von 16 °C auf 35 °C zu
erwärmen. Für wie viele Vollbäder reicht die Energie des Wasserkraftwerks pro Tag?
6) Energieversorgung
Welche Primärenegieträger (Kohle/Erdöl/Erdgas/Uran/Wasser/Biomasse/ Rohstoffe für die
Energieversorgung) sind voraussichtlich in den nächsten Generationen aufgebraucht?
Grundlastkraftwerke arbeiten laufend, während Spitzenlastkraftwerke Stromschwankungen abdecken.
Nenne je zwei Beispiele.