Hier findest du die Lösungen der Aufgaben zu Arbeit, Leistung und dem Wirkungsgrad III im Bereich Physik Oberstufe.
1. Pingpongball
Ein Pingpongball wird auf eine harte Tischplatte fallen gelassen.
Beobachten und beschreiben Sie die Energieumwandlungen.
Ausführliche Lösung
Der Ball hat anfangs Lageenergie, diese verwandelt sich beim fallen zunehmend in Bewegungsenergie. Beim Aufprall auf der Tischplatte verwandelt sich die Bewegungsenergie in Spannenergie, die ihn zurückschleudert. Der Ball bewegt sich wieder nach oben. Dabei erlangt er wieder Lageenergie. Dann beginnt das Spiel von vorn. Der Luftwiderstand und die Verformung beim Aufprall entziehen dem Ball Energie, so dass er nach einigen Zyklen auf der Tischplatte zur Ruhe kommt.
2. feste Rolle
Ein Arbeiter zieht über eine feste Rolle Backsteine 12 m hoch.
Je Ladung befördert er 35 kg Steine und braucht dafür 40 Sekunden.
Berechnen Sie Arbeit und Leistung.
Ausführliche Lösung
Die verrichtete Arbeit pro Ladung beträgt 4120,2 Nm.
Der Arbeiter leistet dabei etwa 103,005 Watt.
3. Kohlen hoch ziehen
Wie lange braucht ein Junge, der auf Dauer 60 W leistet, um 200 kg Kohlen 8 m hoch zu ziehen?
Ausführliche Lösung
Der Junge braucht etwa 261,6 s, das sind etwas mehr als 4 Minuten, um 200 kg Kohlen 8 m hoch zu ziehen. Das macht er natürlich in mehreren kleinen Portionen.
4. Mast erklimmen
Ein Matrose mit der Masse 75 kg behauptet in 30 Sekunden einen 40 m hohen Mast erklimmen zu können.
Welche Leistung müsste er dazu vollbringen?
Kommentiere das Ergebnis.
Ausführliche Lösung
Der Matrose müsste beim klettern eine Leistung von 981 Watt erbringen. Das kann auch ein gut trainierter Sportler kaum erreichen. Es ist mehr als zweifelhaft, ob der Matrose das wirklich schafft.
5. PKW
Der Motor eines PKW mit der Masse 1200 kg leistet maximal 85 kW.
In welcher Zeit könnte das Fahrzeug theoretisch einen Höhenunterschied von 2000 m bergauf überwinden?
Ausführliche Lösung
Das Auto benötigt für die Bergfahrt ca. 277 Sekunden. Das sind etwas weniger als 5 Minuten. Bei der Rechnung wurden Reibungsverluste und Straßenverhältnisse nicht berücksichtigt.
6. Wirkungsgrad
Was versteht man unter dem Wirkungsgrad einer Maschine?
Ausführliche Lösung
Der Wirkungsgrad bezieht die abgegebene auf die zugeführte Energie oder Leistung. Da die abgegebene Energie oder Leistung einer Maschine immer kleiner als die zugeführte ist, muss der Wirkungsgrad immer kleiner als 1 sein. Je näher der Wirkungsgrad an 1 liegt, desto besser ist die Energieausbeute.
7. Bewegungsenergie
Welche Lageenergie (Höhenenergie) hat ein Eisenträger ( m = 50 t ) im 4. Stock eines Hauses
( h = 12 m ) gegenüber dem Erdboden?
Ausführliche Lösung
Der Eisenträger hat gegenüber dem Erdboden eine potentielle Energie (Höhenenergie) von 5 886 000 Nm.
8. PKW
Bei welcher Geschwindigkeit hat ein Pkw ( m = 1200 kg ) die Bewegungsenergie 1 MJ?
Ausführliche Lösung
Die Geschwindigkeit beträgt etwa 147 km/h.
9. Ball werfen
Ein Ball ( m = 300 g ) wird von einem 25 m hohen Turm mit einem Geschwindigkeitsbetrag v1 = 10 m/s weggeworfen.
Mit welcher Geschwindigkeit v2 erreicht er den Erdboden, wenn man vom Luftwiderstand absieht?
Ausführliche Lösung
Der Ball erreicht den Erdboden mit einer Geschwindigkeit von etwa 24,3 m/s.
Erklärung: Wenn man von dem Luftwiderstand absieht, dann gewinnt der Ball beim fallen an Bewegungsenergie, die er auf dem Turm schon als potentielle Energie besaß. Am Erdboden hat er dann nur noch Bewegungsenergie, was sich in einer erhöhten Geschwindigkeit abzeichnet. Seine Energiebilanz insgesamt hat sich aber nicht verändert.
10. Auto prallt gegen eine Mauer
Ein Auto prallt mit 90 km/h gegen eine feste Mauer.
Aus welcher Höhe müsste es frei herabfallen, um die gleiche zerstörende Energie zu bekommen ?
Ausführliche Lösung
Das Auto müsste aus einer Höhe von etwa 31,86 m herabfallen.
11. Radfahrer
Ein Radfahrer kommt mit 8 m/s an einen Abhang, stürzt 4 m hinunter und prallt auf eine Mauer.
Welche Geschwindigkeit hat er kurz vor dem Aufprall?
Ausführliche Lösung
Kurz vor dem Aufprall hat der Radfahrer eine Geschwindigkeit von etwa 43 km/h.
12. Auto auskuppeln
Während ein Auto mit der Geschwindigkeit 108 km/h eine Straße mit 70 Steigung aufwärts fährt, kuppelt Fahrer den Motor aus.
Wie weit kommt das Auto dann noch (ohne Reibung)?
Ausführliche Lösung
Das Auto legt bis zum Stillstand noch eine Strecke von etwa 376,4 m zurück.
13. Auto beschleunigt
Ein Auto ( m = 1200 kg ) wird von null auf 54 km/h, dann von 54 km/h auf 108 km/h beschleunigt.
Wird jeweils die gleiche Menge Treibstoff benötigt?
Ausführliche Lösung
Die benötigte Treibstoffmenge für beide Beschleunigungsphasen ist nicht gleich. Für die erste Beschleunigungsphase wird eine Energie von 135 000 J benötigt. Für die zweite Beschleunigungsphase wird eine Energie von 405 000 J benötigt. Das ist die dreifache Menge.
Hier finden Sie die Theorie: Messen und Berechnen von Energie
hier die Aufgaben
weitere Aufgaben zu Arbeit, Leistung und dem Wirkungsgrad I
und hier eine Übersicht über weitere Beiträge aus der Oberstufenphysik.
