Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1993/94

Wahlaufgabe 6: Kraft, Arbeit und Energie

6.1   Ein Pkw hat mit Insassen eine Gesamtmasse von 1050 kg. Er wird innerhalb von 4,0 s aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 45 km/h beschleunigt.

6.1.1 Berechnen Sie die Beschleunigung!

6.1.2 Welche Kraft muss dabei der Motor mindestens aufbringen?

6.1.3 Welche kinetische Energie besitzt der Pkw bei dieser Geschwindigkeit?

6.1.4 Auf das Wievielfache vergrößert sich die kinetische Energie, wenn sich die Geschwindigkeit verdoppelt?
Begründen Sie!

 

6.2    Bei einer Achterbahn (Berg- und Talbahn) werden die Wagen zunächst mit Hilfe eines Motors von A nach B gezogen und rollen
dann selbständig weiter.

6.2.1 Welche Hubarbeit verrichtet der Motor beim Hochziehen eines Wagens, wenn die Gesamtmasse 480 kg beträgt?

6.2.2 Wie groß ist die potentielle Energie des Wagens in dieser Höhe?

6.2.3 Beschreiben Sie die von B nach D ablaufenden Energieumwandlungen (Reibung wird vernachlässigt.)!

6.2.4 Nennen Sie den zugrunde liegenden Energieerhaltungssatz der Mechanik im Wortlaut!

6.2.5 Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Wagens im Abschnitt C (Reibung wird vernachlässigt)!

6.3   Zwei Schlepper ziehen ein Schiff in den Hafen. Jeder der Schlepper zieht mit einer Kraft von 4800 N. Der Winkel zwischen den Kräften beträgt 40.
Ermitteln Sie zeichnerisch die Gesamtkraft!

6.4   Beim plötzlichen Bremsen wird eine Person, die keinen Sicherheitsgurt angelegt hat, nach vom geschleudert. Begründen Sie diesen Vorgang mit Hilfe eines physikalischen Gesetzes!


Lösung Wahlaufgabe 6: Kraft, Arbeit und Energie
(Bitte beachten Sie den Hinweis am Ende der Seite)

Aufgabe 6.1

Geg.: m = 1050 kg
t = 4,0 s
v = 45 km/h = 12,5 m/s

6.1.1

Ges.: a

Lösung:

Die Beschleunigung beträgt 3,1 m/s².

6.1.2

Ges.: F

Lösung:

Der Motor muss mindestens eine Kraft von 3281,2 N aufbringen.

6.1.3

Ges.: Ekin

Lösung:

Der PKW besitzt eine kinetische Energie von 82000 J.

6.1.4

Die kinetische Energie vervierfacht sich.

Begründung:
Die kinetische Energie berechnet man mit der Gleichung .
Es gilt also: Ekin ~ v². Vergrößert sich nun die Geschwindigkeit auf das Doppelte so vergrößert sich die kinetische Energie auf das Quadrat der Änderung, also auf das 2²-oder das 4-fache.

 

Aufgabe 6.2

6.2.1

Ges.: WHub

Geg.: m = 480 kg
  h = 9,2 m

Lösung:

Die Hubarbeit beträgt runf 43300 J.

6.2.2 Die potentielle Energie ist genau so groß wie die berechnete Hubarbeit, sie beträgt also auch 43300 J.

6.2.3 Potentielle Energie ® Kinetische Energie ® Potentielle Energie

6.2.4 Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie in einem geschlossenen Systen ist konstant.

 

Aufgabe 6.3

Die Gesamtkraft beträgt etwa 9000 N (berechnet: 9021 N).

 

Aufgabe 6.4
Das bei diesem Vorgang wirkende Gesetz ist das Trägheitsgesetz: Ein Körper ändert seinen Bewegungszustand nur dann, wenn eine Kraft auf ihn einwirkt.
Die Person bewegt sich zunächst mit dem Fahrzeug in gleicher Geschwindigkeit. Wenn das Fahrzeug seine Geschwindigkeit verringert, verharrt der Körper der Person, die nicht angeschnallt ist (also keine Kraft auf ihn einwirkt), weiterhin in dieser Bewegung und wird so nach vorn geschleudert.


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