Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1996/97
6.1 Ein PKW kommt beim Bremsen ins Schleudern und rutscht eine Böschung hinab. Ein Abschleppfahrzeug zieht das Auto (Masse 1,2 t) mit einer Motorwinde wieder auf die Straße. Dabei wird ein Höhenunterschied von 2,50 m überwunden. Die Länge der Böschung beträgt 5,00 m.
6.1.1 Erklären Sie den Unterschied zwischen aufzuwendender Zugkraft der Motorwinde und Gewichtskraft des PKW.
6.1.2 Ermitteln Sie die Zugkraft, die von der Motorwinde aufzubringen ist.
6.1.3 Berechnen Sie die von der Motorwinde zu verrichtende mechanische Arbeit.
6.1.4 Erläutern Sie den Einfluss des Neigungswinkels a der Böschung auf die wirkenden Kräfte und die zu verrichtende mechanische Arbeit.
6.2 Die Abbildung zeigt eine "Gegenzug-Pendelleuchte".
6.2.1 Welche kraftumformenden Einrichtungen erkennen Sie?
6.2.2 Erläutern Sie das Prinzip dieser Aufhängung.
6.2.3 Das Gegengewicht übt eine Gewichtskraft von 56 N aus. Bestimmen Sie die Gewichtskraft der Lampe. (Die Gewichtskraft der Aufhängung wird nicht berücksichtigt.)
6.3 Die Abbildung zeigt das Sicherheitsventil eines Dampfkessels.
6.3.1 Welche kraftumformende Einrichtung findet Anwendung?
6.3.2 Berechnen Sie den Abstand des Gegengewichts (4 N) vom Drehpunkt, wenn der Dampf bei einer Kraft von 20 N auf das Ventil entweichen soll.
6.4 Zwei Jugendliche gleicher Masse stehen sich auf Inline-Skates so gegenüber, dass sich ihre Handflächen berühren. Einer der beiden stößt sich vom anderen ab.
6.4.1 Beschreiben Sie, was zu erwarten ist.
6.4.2 Formulieren Sie das entsprechende physikalische Gesetz.
6.4.3 Erläutern Sie ein weiteres Beispiel, das die Gültigkeit dieses physikalischen Gesetzes belegt.
Lösung
Aufgabe 6 Mechanik
(Bitte beachten
Sie den Hinweis am Ende der Seite)
6. 1. 1 Der Unterschied besteht im Betrag und in der Richtung der beiden Kräfte: Durch die Verwendung einer geneigten Ebene ist die aufzuwendende Zugkraft auf jeden Fall kleiner als die Gewichtskraft des PKW. Die Zugkraft wirkt längs der geneigten Ebene, die Gewichtskraft des PKW dagegen senkrecht nach unten (also in Richtung Erdmittelpunkt).
6. 1. 2
Bestimmen der Gewichtskraft des PKW:
geg.: m = 1,2 t = 1200 kg
ges.: FG
Lösung:
Ermitteln der Zugkraft:
geg.: l = 5,00 m
h = 2,50 m
ges.: FZ
Lösung:
(Gesetz der geneigten Ebene)
Die Zugkraft der Motorwinde beträgt 5886 N.
6. 1. 3 Berechnen der von der
Motorwinde zu verrichtenden mechanischen Arbeit:
geg.: FZ =5886 N
l = 5,00 m
ges.: W
Lösung:
Die von der Motorwinde zu verrichtende mechanische Arbeit beträgt 29430 Nm.
6. 1. 4 Für alle
kraftumformenden Einrichtungen gilt: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen
(Goldene Regel der Mechanik).
Für die geneigte Ebene bedeutet das: Je länger die geneigte Ebene ist (erreichbar durch
einen kleineren Neigungswinkel a), desto kleiner ist die
Zugkraft.
Also: Je größer der Neigungswinkel a, desto größer ist
auch die Zugkraft der Motorwinde.
Da die Gewichtskraft eines Körpers (an einem bestimmten Ort) nur von der Masse des
Körpers abhängt, hat der Neigungswinkel a keinen Einfluss
auf die Größe der Gewichtskraft des PKW.
Ebenso spielt der Neigungswinkel a für die verrichtete
mechanische Arbeit keine Rolle, da bei einem physikalischen Vorgang – ob mit oder
ohne Verwendung einer kraftumformenden Einrichtung – immer „gleich viel"
Arbeit verrichtet wird.
6. 2. 1 Man erkennt die Anordnung einer festen und einer losen Rolle.
6. 2. 2 Die Größe des Gegengewichtes ist so gewählt, dass es sich mit der Leuchte im Gleichgewicht befindet. Die Höhe der Leuchte lässt sich durch die Vorrichtung mit Hilfe des Gegengewichtes beliebig einstellen.
6. 2. 3 Bestimmen der
Gewichtskraft der Lampe:
geg.: F2 = 56 N (Gewichtskraft des Gegengewichts)
ges.: F1
(Gewichtskraft der Lampe)
Lösung:
(Gesetz der losen Rolle)
Die Gewichtskraft der Lampe beträgt 28 N.
6. 3. 1 Anwendung findet ein einseitiger Hebel.
6. 3. 2 Skizze:
Berechnen des Abstandes des Gegengewichts vom Drehpunkt:
geg.: F1 = 4
N(Gewichtskraft des Gegengewichts)
F2 = 20 N (Kraft des
Dampfes)
l2 = 15 mm
ges.: l1
Lösung:
(Hebelgesetz)
Das Gegengewicht befindet sich 75 mm vom Drehpunkt entfernt.
6. 4. 1 Es ist zu erwarten, dass sich beide Jugendliche entgegengesetzt voneinander entfernen. Da die beiden Jugendlichen die gleiche Masse haben, müssen sie auch die gleiche Geschwindigkeit erhalten.
6. 4. 2
Wechselwirkungsgesetz:
Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der beiden Körper eine Kraft. Die
Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
F1 = -F2
(„actio = reactio" bzw. „Wirkung = Gegenwirkung")
6. 4. 3 Eine Person steigt an einer Anlegestelle aus einem Boot aus. Das Wechselwirkungsgesetz ist in diesem Falle der Grund dafür, dass sich beim Aussteigen das Boot entgegengesetzt von der Person weg bewegt.
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.
