Arbeitsblatt: Klassenarbeit zum Thema Energie und Leistung

Physikarbeit Nr.1 Name: G9a 14.12.2020 Bearbeitungszeit: 80 Minuten 1.) Die Erde wird von einer Unzahl kleiner und kleinster Gesteinsbrocken umkreist. Diese können eine Gefahr für ebenfalls in der Erdumlaufbahn kreisende Satelliten sein. Berechne die kinetische Energie eines 1 Gramm schweren Steinbröckchens, das sich mit einer Geschwindigkeit von 40000 km/h durch das Weltall bewegt. Vergleiche mit der Energie einer Gewehrkugel (ca. 3000 Joule). ./4 2.) Ein Schlitten befindet sich auf einem Hügel, der 30 Meter hoch ist. Der Schlitten mitsamt Fahrer hat eine Masse von 45 kg. a.) Berechne die potentielle Energie des Schlittens auf dem Hügel relativ zum Fuß des Hügels. ./2 b.) Beschreibe in Worten die Energieumwandlungen, die beim Herunterfahren stattfinden. Beachte dabei alle auftretenden Energieänderungen. ./4 c.) Der Schlitten erreicht den Fuß des Hügels mit einer Geschwindigkeit von 27 km/h. Berechne, wie viel kinetischer Energie das entspricht und gib den Wirkungsgrad der Umwandlung von potentieller in kinetische Energie an. ./4 3a.) Ein Turmspringer steht auf dem 10 Meter Turm. Zeige, dass die Geschwindigkeit, mit der der Springer auf die Wasseroberfläche auftrifft, exakt 2 gh ist, wenn der Luftwiderstand keine Rolle spielt und die Erdbeschleunigung ist. ./3 3b.) In ferner Zukunft könnten Menschen (in Städten, die unter riesigen Kuppeln gebaut sind) evtl. Urlaub auf dem Mond machen. In einem Schwimmbad in einer solchen Stadt steht ein Sprungturm der Höhe h. Zeige, dass das Verhältnis der Geschwindigkeiten mit der ein Turmspringer auf dem Mond und mit der ein Turmspringer auf der Erde von einem gleich hohen Sprungturm auf der Wasseroberfläche auftreffen, durch den Term: Mond Mond Erde Erde gegeben ist wenn der Luftwiderstand keine Rolle spielt. Dabei ist Erde die Erdbeschleunigung und Mond der entsprechende Wert auf dem Mond. ./3 4.) Die schnellsten Autos der Welt schaffen den Sprint von 0 auf 200 km/h in ca. 6 Sekunden.Wesentlich schneller geht es nicht. Es ist dabei unerheblich, ob der Wagen einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor hat. a.) Berechne die Leistung, die ein Fahrzeug mit einer Masse von 1900 kg mindestens haben muss, um die Beschleunigung von 0 auf 200 km/h in dieser Zeit zu schaffen. ./4 b.) In der Realität ist mehr Leistung nötig als in a.) berechnet. Begründe anhand von mindestens zwei Gründen, warum die Leistung aus a.) in der Realität nicht ausreicht. Es geht dabei um qualitative Begründungen. Die Aufgabe ist also auch zu lösen, wenn Du Aufgabe a.) nicht gelöst hast. ./4 Solltest Du mehr als 2 Gründe nennen können, gibt es Zusatzpunkte (je einen Punkt pro zusätzlichem Grund). Löse entweder Aufgabe 5 oder Aufgabe 6!!!: 5.) Die folgende Tabelle zeigt den Ertrag an elektrischer Energie, die eine Solaranlage von 10 m Fläche in Darmstadt und Umgebung im Durchschnitt der letzten 10 Jahre monatlich erbringen konnte: Monat Energieertrag (nutzbare elektrische Energie in kWh) Januar 31 Februar 59 März 81 April 94 Mai 143 Juni 146 Juli 133 August 120 September 88 Oktober 62 November 20 Dezember 22 Eine solche 10 m Anlage kostet ca. 1700 Euro. Größere Anlagen sind proportional teurer, so lange sie unter ca. 400m Fläche bleiben. (Quelle: Solaranlagen-ratgeber.de) a.) Ein durchschnittlicher Haushalt „verbraucht pro Jahr ca. 3000 kWh elektrische Energie wenn nicht mit dem Strom geheizt wird. Berechne die Größe, die eine Solaranlage haben muss, damit man damit durchschnittlich über das Jahr hinweg netzautark ist (netzautark bedeutet: Man ist unabhängig vom Stromnetz ist, weil man seinen eigenen Strom erzeugt). Gib auch die Kosten an, die dadurch entstehen. ./4 b.) Beurteile, ob deine Berechnung aus a.) tatsächliche Netzautarkie zu jedem Zeitpunkt bedeutet. Begründe! ./3 c.) Die elektrische Energie ist nur ein Teil der Energie, die man braucht. Nimm an, man möchte mit der elektrischen Energie aus der Solaranlage auch die Energie für die Heizung/das Warmwasser zur Verfügung stellen. Damit es nicht zu teuer wird, benutzt man dafür zusätzlich eine Wärmepumpe. Sie entnimmt die Hälfte der benötigten Heizenergie aus dem Erdreich, die andere Hälfte soll aus der Solaranlage kommen. Das Haus ist modern, es hat einen Heiz – und Warmwasserenergieverbrauch von nur 35 kWh/( a) und eine Fläche von 135 m. Berechne wie groß die Solaranlage nun dimensioniert sein muss um den Strombedarf insgesamt durchschnittlich zu decken! Berechne auch die zusätzlichen Kosten. ./5 Zusatzaufgabe: d.) Betrachte das unten stehende Diagramm und nimm Stellung zu folgender Aussage: „Wenn man die elektrische und die Heiz- und Warmwasserenergie des oben genannten Hauses jederzeit autark mit Hilfe einer Solaranlage und einer Erdwärmepumpe gewinnen will, muss die Solaranlage noch einmal knapp 80% größer sein, als wenn aus ihr nur die elektrische Energie für den sonstigen Verbrauch (ohne Heizung/Warmwasser) gewonnen wird. ./4 Diagramm: Löse entweder Aufgabe 5 oder Aufgabe 6!!!: 6.) Peter will ein warmes Bad nehmen. Das Badewasser (110 Liter) wird in der Heizung (Heizleistung 15 kW) von 16C (Leitungswasser) auf 49C erwärmt. a.) Berechne, wie viel Energie für das Aufheizen von diesen 110 Litern erforderlich ist. ./4 b.) Berechne, wie viel damit die Energie kostet um das Bad aufzuheizen, wenn man für 1 kWh etwa 0,08€ zahlen muss. ./3 c.) Berechne, wie lange die Heizung für das Aufheizen der 110 Liter braucht, wenn Du davon ausgehst, dass ein Wirkungsgrad von 85% vorliegt? ./5 Zusatzaufgabe: d.) Nachdem das Bad voll ist, stellt Peter fest, dass 49C ihm doch zu heiß ist. Er will aber nicht warten, bis das Wasser abgekühlt ist. Deshalb lässt er noch einmal 27 Liter kaltes Wasser (16C) nachlaufen. Berechne, welche Mischungstemperatur dann das Wasser in der Badewanne hat. ./4 Erlaubte Hilfsmittel: • • Zugelassene Formel – und Konstantensammlung Taschenrechner