Aufgaben zum Energieerhaltungssatz
Aufgaben zum Energieerhaltungssatz
Aufgaben zum Energieerhaltungssatz
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Physik * Jahrgangsstufe 8<br />
Mechanische Energieformen * <strong>Energieerhaltungssatz</strong><br />
1. Die Kugel des abgebildeten Pendels wird<br />
ausgelenkt und dabei die Höhe h = 12cm<br />
angehoben.<br />
a) Mit welcher Geschwindigkeit schwingt<br />
die Kugel durch die Ruhelage?<br />
b) Wie hoch müsste man die Kugel auslenken,<br />
damit die Geschwindigkeit<br />
doppelt so groß wie bei Aufgabe a) ist?<br />
h = 12cm<br />
2. Peter springt vom 10-Meter-Turm ins Wasser.<br />
a) Mit welcher Geschwindigkeit taucht er in das Wasser ein?<br />
b) Aus welcher Höhe müsste Peter springen, wenn er nur die Hälfte der Geschwindigkeit<br />
von Aufgabe a) beim Eintauchen haben will?<br />
c) In welcher Höhe über dem Wasser hat Peter die Hälfte der Geschwindigkeit von<br />
Aufgabe a) ?<br />
3. Ein PKW der Masse 1,2 Tonnen fährt bei<br />
einem Crashtest mit 30 km/h gegen eine Wand.<br />
a) Wie groß ist die kinetische Energie des Autos?<br />
Was passiert mit dieser Energie beim Crashtest?<br />
b) Aus welcher Höhe müsste der PKW fallen, um<br />
mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h am<br />
Boden zu landen?<br />
4. Ein Ball wird aus einer Ausgangshöhe von 1,6m über dem Boden nach oben geworfen und<br />
erreicht eine maximale Höhe von 8,8 Metern (über dem Boden).<br />
a) Beschreibe die Energieumwandlungen!<br />
b) Mit welcher Geschwindigkeit wurde der Ball abgeworfen?<br />
c) Welche Geschwindigkeit hat der Ball in einer Höhe von 5,0m über dem Boden?<br />
5. Ein Artist (mit der Masse 72 kg) springt<br />
aus einer Höhe von 2,50m auf ein<br />
Schleuderbrett.<br />
a) Wie hoch wird sein Partner (mit 56 kg)<br />
höchstens geschleudert?<br />
b) Für den Bau einer Menschenpyramide<br />
muss der Partner 4,0 m hoch geschleudert<br />
werden.<br />
Mache Vorschläge, wie man das erreichen<br />
kann!
Physik * Kl. 8 * Mechanische Energieformen * Energieerhaltung * Lösungen<br />
1<br />
2 2<br />
1. a) Eges = Epot,oben = Ekin,unten ⇒ m ⋅g ⋅ h = ⋅ m ⋅(v unten<br />
) ⇒ (v<br />
unten<br />
) = 2⋅g ⋅ h ⇒<br />
2<br />
2<br />
2 m 2 m m m<br />
(v<br />
unten<br />
) = 2⋅9,8 ⋅0,12m ⇒ (v<br />
2 unten<br />
) = 2,352 ⇒ v<br />
2<br />
unten<br />
= 2,352 ≈ 1,5<br />
s s s s<br />
2<br />
b) Wegen h ∼ v gehört zur doppelten (d.h. zweifachen) Geschwindigkeit die vierfache<br />
(d.h. die 2 2 – fache = 4 – fache) Höhe. Die Kugel müsste also 4 · 12cm = 48 cm nach<br />
oben ausgelenkt werden.<br />
1<br />
2 2<br />
2. a) Eges = Epot,oben = Ekin,unten ⇒ m ⋅g ⋅ h = ⋅ m ⋅(v unten<br />
) ⇒ (v<br />
unten<br />
) = 2⋅g ⋅ h ⇒<br />
2<br />
2<br />
2 m 2 m m m km<br />
(v<br />
unten<br />
) = 2⋅9,8 ⋅10m ⇒ (v<br />
2 unten<br />
) = 196 ⇒ v<br />
2<br />
unten<br />
= 196 = 14 ≈ 50<br />
s s s s h<br />
2<br />
b) Wegen h ∼ v gehört zur halben Geschwindigkeit nur ein Viertel der Höhe.<br />
Peter müsste also aus 2,5m Höhe springen, um mit 25 km/h ins Wasser einzutauchen.<br />
c) Nach einer Fallhöhe von 2,5m hat Peter die Hälfte der Geschwindigkeit.<br />
Beim Sprung vom 10m-Turm erreicht Peter diese Geschwindigkeit also 7,5m über<br />
dem Wasser.<br />
3. a)<br />
b)<br />
1 1 1000m 300 m<br />
= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ≈<br />
2 2 3600s 36 s<br />
Diese Energie dient <strong>zum</strong> Verformen und „Erwärmen“ des Autos.<br />
1<br />
2 2<br />
Eges = Epot,oben = Ekin,unten ⇒ m ⋅g ⋅ h = ⋅ m ⋅(v unten<br />
) ⇒ (v<br />
unten<br />
) = 2⋅g ⋅ h ⇒<br />
2<br />
2 2 2<br />
Ekin<br />
m v 1200kg (30 ) 600kg ( ) 41666,6...J 42 kJ<br />
2<br />
2<br />
km ⎛ 30 m ⎞<br />
2<br />
m<br />
2 (30 )<br />
(v 2<br />
unten<br />
)<br />
⎜<br />
3,6 s<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
s<br />
h = = h = = 3,543... = 3,543...m ≈ 3,5m<br />
2⋅g<br />
m m m<br />
2⋅9,8 2⋅9,8<br />
2 2 2<br />
s s s<br />
Das Auto müsste aus einer Höhe von etwa 3,5 m fallen.<br />
4. a) Die kinetische Energie beim Abwurf wandelt sich vollständig in Höhenenergie um.<br />
Nachdem der Ball seine maximale Höhe von 8,8m erreicht hat, wandelt sich die<br />
Höhenenergie beim Herabfallen wieder in kinetische Energie um.<br />
1 2 2 m<br />
b) ⋅m ⋅ (v<br />
Abwurf<br />
) = m ⋅g ⋅(h − h<br />
o) ⇒ (v<br />
Abwurf<br />
) = 2⋅9,8 ⋅(8,8m −1,6m)<br />
⇒<br />
2<br />
2 s<br />
2<br />
2 m m m m<br />
(v<br />
Abwurf<br />
) = 141,12 ⇒ v<br />
2<br />
Abwurf<br />
= 141,12 = 11,879... ≈ 12<br />
s s s s<br />
1 2<br />
c) Eges = Epot,oben = m⋅g ⋅(h − h<br />
o<br />
) = E<br />
pot<br />
(in 5m Höhe) + ⋅m ⋅ v ⇒<br />
2<br />
1 2 1 2<br />
m ⋅g ⋅(h − h<br />
o) = m ⋅g ⋅(5,0m − h<br />
o) + ⋅ m ⋅ v ⇒ g ⋅(h − h<br />
o) = g ⋅(5,0m − h<br />
o<br />
) + ⋅ v<br />
2 2<br />
1 2 1 2<br />
⇒ g ⋅(8,8m − 1,6m) = g ⋅(5,0m − 1,6m) + ⋅ v ⇒ ⋅ v = g ⋅7,2m − g ⋅3,4m<br />
⇒<br />
2 2<br />
2<br />
1 2 2 m 2 m<br />
⋅ v = g ⋅3,8m ⇒ v = 2⋅9,8 ⋅3,8m ⇒ v = 74, 48 ⇒<br />
2 2<br />
2 s s<br />
m m m<br />
v = 74, 48 = 8,63... ≈ 8,6 beträgt die Geschwindigkeit in 5,0m Höhe.<br />
s s s
5. a) Die potenzielle Energie des Artisten 1 wird insgesamt in die potentielle Energie des<br />
Artisten 2 umgewandelt, wenn man alle Reibungs- und Verformungseffekte vernachlässigt.<br />
Also gilt:<br />
E = E ⇒ m ⋅g ⋅ h = m ⋅g ⋅h<br />
⇒<br />
pot,Artist1 pot,Artist2 1 1 2 2<br />
m 72 kg 9<br />
h = ⋅ h = ⋅ 2,50m = ⋅ 2,50m ≈ 3, 2m<br />
m 56 kg 7<br />
1<br />
2 1<br />
2<br />
b) Es gilt m1 ⋅ h1 = m2 ⋅ h2<br />
Artist 1 könnte aus größerer Höhe h 1 abspringen! Diese neue Höhe h 1 sollte<br />
m2 ⋅ h2<br />
7<br />
h1<br />
= = ⋅ 4,0m ≈ 3,1m betragen.<br />
m 9<br />
1<br />
Wenn Artist 1 seine Absprunghöhe von 2,5m beibehält, könnte er seine Masse m 1<br />
m2 ⋅h2<br />
56kg⋅<br />
4,0m<br />
mit Zusatzgewichten vergrößern. m1<br />
= = = 89,6kg ≈ 90kg<br />
h1<br />
2,5m<br />
Artist 1 könnte also z.B. einen Bleigürtel der Masse 90kg – 72kg = 18kg anlegen.