Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1999/2000
Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch (Wahlaufgabe)
7.1 In einem Experiment wurde der Schweredruck des Wassers in verschiedenen Tiefen gemessen:
| h in m | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
| p in kPa | 0 | 50 | 101 | 149 | 200 |
7.1.1 Zeichnen Sie ein Diagramm, in dem der Druck in Abhängigkeit von der Tiefe dargestellt ist.
7.1.2 Geben Sie den Zusammenhang zwischen Tiefe und Schweredruck an.
7.1.3 Lesen Sie aus dem Diagramm die Tiefe ab, in der der Schweredruck 185 kPa beträgt.
7.1.4 Ein Mensch taucht 2,0 m tief. Ermitteln Sie die Druckzunahme auf seinen Körper.
7.1.5 Die Sperrmauer der Talsperre Pöhl ist an der Krone etwa 8 m und an der Talsohle etwa 40 m dick. Begründen Sie diesen Sachverhalt.
7.1.6 Durch Abbaggern des Uferbereiches könnte das Fassungsvermögen der Talsperre bei gleichbleibender Wasserhöhe vergrößert werden. Begründen Sie, dass sich die Belastung der Sperrmauer dadurch nicht ändern würde.
7.2 Die Versorgung mit Elektroenergie erfolgt in Deutschland derzeit vorwiegend durch Kohle- und Kernkraftwerke.
7.2.1 Beschreiben Sie die Energieumwandlungen in einem Kohlekraftwerk. Berücksichtigen Sie dabei die Aggregate Dampferzeuger, Dampfturbine und Generator.
7.2.2 Vergleichen Sie Kohle- und Kernkraftwerk hinsichtlich der Art der Dampferzeugung.
7.2.3 Nennen Sie zwei Eigenschaften radioaktiver Strahlung.
7.2.4 Erläutern Sie eine Schutzmaßnahme gegen radioaktive Strahlung.
7.2.5 Nennen Sie einen Vorteil der Kernenergienutzung im Kraftwerk und ein Sicherheitsrisiko.
7.3 Eine Bergsteigerin beginnt die Besteigung des 3790 m hohen Großglockner im 1290 m hoch gelegenen Ort Heiligenblut. Sie hat mit Ausrüstung die Gesamtmasse 80 kg.
7.3.1 Berechnen Sie die Arbeit, die die Bergsteigerin beim Besteigen des Berges verrichten muss.
7.3.2 Zur Bewältigung eines Höhenunterschiedes von jeweils 300 m benötigt sie durchschnittlich 50 Minuten. Berechnen Sie die Leistung der Bergsteigerin.
Lösung
Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch
(Bitte
beachten Sie den Hinweis am Ende der Seite)
7.1.1
7.1.2 Der Schweredruck ist zur Tiefe direkt proportional: h ~ p.
7.1.3 Der Schweredruck von 185 kPa wirkt in einer Tiefe von 18,5 m.
7.1.4 Die Druckzunahme auf seinen Körper beträgt 20 kPa (Diagramm).
7.1.5 Je größer die Wasserhöhe ist, um so höher ist auch der Schweredruck. Um dem Schweredruck des Wassers Stand zu halten, muss die Sperrmauer von Talsperren immer breiter werden, je tiefer diese Mauer ist (Schweredruck ist proportional zur Wassertiefe).
7.1.6 Der Schweredruck des Wassers ist nicht vom Volumen des Wassers abhängig, sondern nur von der Wassertiefe. Daher ändert sich die Belastung der Sperrmauer nicht, wenn der Stausee sich vergrößert, die Wasserhöhe aber gleich bleibt.
7.2.1 Im Dampferzeuger wird die chemische Energie der Kohle in thermische Energie des Wasserdampfes umgewandelt. Dieser wird dann in die Dampfturbine geleitet. In der Dampfturbine wird die thermische Energie des Dampfes in kinetische Energie der Turbine umgewandelt. Diese kinetische Energie der Turbine wird auf den Generator übertragen, welche die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.
7.2.2 Im
Kohlekraftwerk wird Kohle verbrannt, die thermische Energie der Kohle wird auf das Wasser
übertragen, in kinetische Energie des Wasserdampfes umgewandelt und dann zur
Elektroenergieerzeugung genutzt.
Im Kernkraftwerk führt die Kernspaltung zur Freisetzung von thermischer Energie, die an
das Wasser übertragen und dann auch in kinetische Energie des Wasserdampfes umgewandelt
wird, welcher zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt wird.
Im Kohlekraftwerk wird also die chemische Energie der Kohle, im Kernkraftwerk die
Kernenergie, also die Energie der Atomkerne genutzt.
7.2.3 Radioaktive
Strahlung
- breitet sich allseitig und geradlinig aus,
- durchdringt Stoffe.
Weitere mögliche Antworten:
Radioaktive Strahlung
- ist unsichtbar,
- ist Träger von Energie
7.2.4 Schutzmaßnahme:
Abstand von radioaktiven Materialien halten:
Je größer der Abstand, um so geringer ist die Stärke der radioaktiven Strahlung und
damit um so geringer die Wahrscheinlichkeit einer bleibenden Veränderung im Körper des
Menschen.
Weitere mögliche Antworten:
Strahler mit möglichst geringer Aktivität verwenden:
Je geringer die Strahlendosis ist, die auf den Menschen wirkt, um so geringer die
eintretenden Veränderungen durch die radioaktive Strahlung.
Strahlung so gut wie möglich abschirmen:
Je besser die Abschirmung, um so weniger Strahlungsenergie wirkt auf den Menschen ein, um
so geringer also auch die Gefahr einer radioaktiven Schädigung.
Strahlung nicht länger als nötig einwirken lassen:
Je geringer die Strahlendosis, um so geringer auch eventuelle Veränderungen im Körper
des Menschen.
7.2.5 Vorteil:
Geringer Rohstoffaufwand für große Mengen an Energie
Sicherheitsrisiko:
Bei Unregelmäßigkeiten im Ablauf der Kernreaktion kann es zu nuklearen Katastrophen wie
in Tschernobyl kommen.
7.3
geg.: m = 80 kg
hges = 3790 m
hAnfang = 1290 m
7.3.1 ges.: W
Lösung:
oder:
Die Bergsteigerin muss eine Arbeit von 1962 kJ (2000 kJ) verrichten.
7.3.2 geg.: h =
300 m
t = 50 min = 3000 s
ges.: P
Lösung:
Die Leistung der Bergsteigerin beträgt rund 78,5 W
Hinweis: Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen des jeweiligen Autors und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösung.
Herzlichen Dank an meine Kollegin Ines Stiller, die diese Lösungen kritisch begutachtete.