книги / Fragen und Antworten

78. Bernd knobelt als Neuerer an einem Vorschlag. Dabei geht es unter anderem auch darum, wie er an seiner Drehbank Teile mit noch besserer Qualität in kürzerer Zeit fertigen kann. Er will deren Oberfläche beurteilen, ohne die Maschine zu stoppen.

81. Bei Flüssen, die in Äquatorrichtung (Ost-West) verlaufen, tritt im Allgemeinen an beiden Seiten gleiche Erosion auf. Anders verhält es sich jedoch bei denen, die senkrecht zur Äquatorachse (NordSüd) fließen. Hier ist eine einseitig verstärkte Erosion zu verzeichnen. Vergleichbares kann man bei genauen Messungen auch an Eisen-

bahnschienen beobachten. Verlaufen sie in Nord-Süd-Richtung, nutzt sich im Gegensatz zu in Ost-West-Richtung führenden Schienen eine Gleishälfte mehr ab als die andere. Wie sind diese Erscheinungen zu erklären?

5 Punkte

82. Simone liest in einem Zeitungsartikel, dass der mittlere Salzgehalt der Ozeane rund 3,5 Prozent beträgt. Hauptanteil der im Meerwasser gelösten Salze ist das Natriumchlorid

mit etwa 28 g auf 1000g Wasser. Diesbezüglich gibt es jedoch erhebliche Unterschiede, bedingt durch recht verschiedene Durchmischungs – und Er-

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neuerungsbedingungen. So hat das Mittelmeer bereits einen Salzgehalt von 3,9 Prozent, das Rote Meer von 4,5 Prozent und das Tote Meer von 23 Prozent. Simone versucht sich nun den Berg vorzustellen, wenn sich alle im Meerwasser gelösten Mengen Na Cl auf

85. Legen wir eine Münze vorsichtig auf die Wasseroberfläche, so sinkt sie nicht. Diese als Oberflächenspannung des Wassers bekannte

physikalische Erscheinung entsteht durch die starke gegenseitige Anziehung der an der Oberfläche liegenden Wasser– Moleküle. Ist diese Spannung ausreichend groß, dann könnte theoretisch sogar ein Mensch auf dem Wasser schreiten. Wie erreicht man das? 4 Punkte

86. Am Anfang des 20. Jahrhunderts kamen die ersten Propellerschlitten für den Verkehr in vereisten Gebieten auf. Sie hatten zunächst nur eine geringe Antriebsleistung und fuhren mit der, wie es in zeitgenossischen Quellen heißt, „rasenden“ Geschwindigkeit von 30 km/h. Der Konstrukteur eines solchen Gefährts behauptete damals, dass stärkere Motoren prinzipiell nicht sinnvoll seien, da man zu große Propeller benötige, um ihre Leistung in Antriebskraft umzusetzen. Später gab es aber durchaus Fahrzeuge mit stärkeren Propellerantrieben. Wie konnte der Schlitten-Entwickler zu seiner irrigen Auffassung kommen? 3 Punkte

87. Auf einem See schwimmt bewegungslos ein Boot mit einer Länge von 3 m und einer Masse von 180 kg. Bei der Bewegung eines Anglers vom Bug zum Heck verschiebt sich das Boot um 0,75m. Wie schwer ist der Angler, wenn bei der Berechnung der Widerstand des Wassers gegen die Bewegung des Bootes vernachlässigt wird?

4 Punkte

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FRAGEN mit „WELCHE?“, „WELCHER?“, „ WELCHES?“

88. Welche Geschwindigkeit erlangt ein Elektron unter der Wirkung der Kräfte des elektrischen Feldes, wenn es zwischen Punkten mit der Potenzialdifferenz 10 kV verschoben wird? 5 Punkte

89. Eine Förderanlage (Förderkorb) bewegt sich mit der konstanten Beschleunigung 0,10m s −2 innerhalb von 50 s im Schacht nach oben. Welche Durchschnittsleistung bringt der Förderkorb während dieser Zeitspanne auf, wenn der Wirkungsgrad der Anlage 0,80 beträgt. Die Förderanlage hat mit Last eine Masse von 5,0 t. 5 Punkte

90. Welche Auffallgeschwindigkeit hat ein Turmspringer, der vom 10-Meter-Turm springt? Wie lange fällt er, wenn der Luftwiderstand vernachlässigt wird?

6 ms −1 ein und mit einer Geschwindigkeit von 1 ms −1 aus. Der Niveauunterschied beträgt 4 m. Der Volumenstrom des Wassers ist 20m 3 s −1 . Welche Nutzleistung hat die Turbine?

93. Auf welche Weise kann man aus der Luft ihre einzelnen Bestandteile absondern? In welcher Reihenfolge werden sie abgeschieden? Es sei dabei erwähnt: Zusammensetzung der trockenen atmosphärischen Luft (dem Volumen nach): 78,08 Prozent Stickstoff; 20,95 Prozent

Sauerstoff; 0,03 Prozent Kohlendioxid; etwa 0,94 Prozent entfällt auf Helium, Neon, Krypton, Xenon, Argon. 3 Punkte

94. Bei Speedwayrennen b (Sandbahnrennen mit speziellen Motorrädern) schneiden die Fahrer die Kurven mit geringem Krümmungsradius, damit sie die Geschwindigkeit nur gering herabsetzen müssen (sieh Abb.). Welches physikalische Gesetz nutzen sie dabei aus? 2 Punkte

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95. In Betrieben und auf Baustellen werden oft Bleche, Profile und Rohre transportiert. Welchen Neigungswinkel darf ein Rohrbündel auf einem Gabelstapler höchstens haben, um beim Transport nicht von der Gabel abzugleiten, die Reibungskraft nicht zu überwinden? Die Hartreibungszahl von Stahl auf Stahl beträgt µ0 = 0,15.

5 Punkte

96. Die Pumpstation eines Wasserwerkes arbeitet nicht mehr. Um den Wasserbehälter des Turmes wieder zu füllen, müssen transportable Pumpen eingesetzt werden. Alle vier zur Verfügung stehenden Reservepumpen haben unterschiedliche Pumpleistungen.

Mit der stärksten dieser Pumpen kann der Behälter in einer Stunde gefüllt werden, mit der zweitstärksten in zwei Stunden. Die dritte Pumpe benötigt zum Füllen des Behälters drei Stunden

und die vierte sechs Stunden. Da der Behälter in möglichst kurzer Zeit gefüllt werden soll, werden alle vier Pumpen gleichzeitig eingesetzt. In welcher Zeit kann der Wasserbehälter gefüllt werden?

4 Punkte

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FRAGEN mit „WIE VIEL?“

97. Ein großes Zahnrad hat 181 Zähne. Es greift mit einem kleineren Zahnrad so ineinander, dass sich die Pfeilspitzen berühren, mit denen die Zahnräder markiert sind. Das kleinere Zahnrad wird im Uhrzeigersinn gedreht. Wie viele Umdrehungen des kleineren Zahnrades sind notwendig, damit sich die zwei Pfeilspitzen wieder berühren? (sieh Abb.)

5 Punkte

98. Ein Getriebe hat drei Zahnräder mit insgesamt 180 Zähnen. Bei sechs Umdrehungen des ersten Zahnrades dreht sich das zweite viermal und das dritte dreimal. Wie viele Zähne hat jedes Rad? 2 Punkte

99. Ein Panzer hat während einer Übung einen Weg von 230 km zurückgelegt. Im ursprünglich vollen Tank sind jetzt noch 40 l Kraftstoff. Könnte der Kraftstoffsverbrauch um 15 l je 100 km eingeschränkt werden, so würde der Panzer einen Aktionsradius von 270 km haben. Wie viele Liter fasst der Tank, und wie viel Kraftstoff wird für 100 km benötigt? 3 Punkte

100. Für das Absetzen der Seitenzahlen eines Buches wurden

6869 Ziffern benötigt. Wie viele Seiten hat das Buch?

3 Punkte

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TEIL II. TEXTE MIT ANTWORTEN

ANTWORTEN auf die FRAGEN ohne FRAGEWORT

1.Nein, da es eine nicht ausgeglichene Komponente der Gravitationskraft FG gibt, die den Satelliten von seiner Bahn „herunterzieht“.

2.Die Rakete benötigt mehr Explosivstoff, weil sie die – wenn auch immer kleiner werdende – Masse des Treibstoffs zusätzlich zu der des Geschosses mit beschleunigen muss.

3.Da während des Fluges Schwerelosigkeit herrscht, erfolgt kein Pendelausschlag.

4.Das Gezeitenkraftwerk bezieht seine Energie aus der Erdumdrehung, die durch die Gezeitenwirkung (allerdings sehr geringfügig) abgebremst wird. Es ist kein Perpetuum mobile.

5. Das Volumen einer Kugel errechnet sich aus: V = π6 d3

In unserem Fall ist V= π6 23 m3 ≈4 m3

Die Dichte von Kork nimmt man mit ς = 0,25tm an und erhält die Masse m = V ς = 4 m30,25t/m3 = 1t

6. Vernachlässigt man die Reibung, so gilt Wkin = Wpot, wobei

W= m · g · h

=4 800 000 kg · 9,81 m/s · 216 m

=1010Nm ist.

Die Turmkugel besitzt also eine potentielle Energie gegenüber der Erdoberfläche von etwa 1010Nm.

Wkin errechnet man nach der Formel:

Wkin = m2 v2

35000kg 10000m2

= 2s2

= 1,75 · 10 8 Nm.

Um das Flugzeug beim Start auf eine Geschwindigkeit von 100 m/s zu beschleunigen, wäre also eine kinetische Energie von 1,75 · 10 8 Nm notwendig. Die potentielle E- nergie der Turmkugel des Fernsehturmes wurde also ausreichen, um das Flugzeug zu beschleunigen.

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ANTWORTEN auf die FRAGEN „WER? – WAS?“

7.Für die Drehzahl des Fahrradsdynamos ist nur die Umfangsgeschwindigkeit des Rades von Bedeutung, nicht die Drehzahl. Deshalb ist die am Dynamo auftretende Spannung nur von der Geschwindigkeit des Fahrrades abhängig,

nicht vom Raddurchmesser.

8.Das Wasser füllt die Windungen aus bis zum Knie B.

Das von B abfließende Wasser reißt dann das Wasser aus Teil (A-B) nach, wobei Luft durch das Loch A ins Rohr eintritt. Der Wasserstrom bleibt so lange unterbrochen, bis sich die Windung (A-B) bis zum Knie wieder gefüllt hat.

9. Da der Dampf direkt im Arbeitszylinder kondensiert wird, müssen Kolben und Zylinder bei jedem Arbeitstakt mit erhitzt und wieder gekühlt werden. Daher der hohe Brennstoffverbrauch, dessen Ursache erst Watt beseitigte, als er einen gesonderten Kondensator einführte.

10.Da die gesuchte Substanz beim Erhitzen keinen Rückstand hinterlässt, aber auch nicht brennt, kann sie erstens kein Metall-Ion enthalten und zweitens keine brennbare organische Substanz sein. Ihre Dämpfe, die beim Erhitzen entstehen,

bläuen Lackmuspapier. Es handelt sich also um eine Base, und dieses Verhalten ist typisch für Ammoniak. Wir können unsere Vermutung erhärten, indem wir die Substanz mit verdünnter Natronlauge überschichten, wonach Ammoniak – Geruch auftritt. Die Trübung von Barytwasser spricht für Kohlendioxid, das mit dem Barium-Ion zu schwerlöslichem Bariumkarbonat reagiert. Die gesuchte Substanz war demnach Ammoniakkarbonat.

11.Der schwarze Tee erwärmt sich schneller, weil er die Wärmestrahlung stärker absorbiert.

12.Würde die Erde ihre Bewegung um die eigene Achse einstellen, so würden sich alle Körper auf der Erdoberfläche gemäß der Trägheit bewegen. Stellt sich ihre Bewegung auf der Umlaufbahn um die Sonne ein, so würde die Erde auf die Sonne fallen.

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13.Wassertropfen sind keine festen Körper. Daher fallen große Regentropfen, die durch das „Zusammenfließen“ kleinerer entstehen, mit einer Geschwindigkeit von rund 7, 5 Meter in der Sekunde zu Boden, während die kleinen Tropfen nur etwa 1,75 Meter in der Sekunde zurücklegen.

14.Durch starke Kälteeinwirkung lässt sich pulverisiertes Zinn wieder in seinen ursprünglichen metallischen Zustand versetzen, wenn man es mit kochendem Wasser abbrüht.

15.Es wäre in seinem festen Zustand – als Eis – schwerer als Wasser und ginge unter. Die Folge: Gewässer in kalten Gebieten könnten bis zum Boden gefrieren. Allmählich würde sich alles Wasser auf Erden in Eis verwandeln und die Erde in Frost erstarren.

16.Vor bzw. nach Heranziehen der Hanteln ist der Drehimpuls gleich (Satz von der Erhaltung des Drehimpulses). Demnach wird nach dieser Bewegung die Umlaufzeit für eine Umdrehung kleiner, d. h., er dreht sich schneller. Dieser Effekt ist auch sehr eindrucksvoll bei den Pirouetten der Eiskunstläufer zu beobachten.

17.Im luftleeren Raum (der Druck ist verschwindend klein) fängt das Wasser an zu sieden und verdampft sehr schnell. Dabei kühlt sich die Flüssigkeit ab und erstarrt. Wenn nun keine weitere Wärmezufuhr, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung, erfolgt, bleibt das Eis über lange Zeit unverändert. Nach diesem Prinzip „funktionieren“ übrigens auch die Kometen, die sich außerhalb wirksamer Sonneneinstrahlung Jahrmillionen halten können, aber Materie verlieren, wenn ihre Bahn sie in Sonnennähe verschlägt. Dieses verdampfte Kometenmaterial bleibt dann Schweif und Koma, die die Kometen für uns sichtbar machen.

18.Bei dem erwähnten Regen mit Fischen und Fröschen handelte es sich keinesfalls um eine Phantasiegeschichte. Die Ursache war eine Wasserhose, die fast das gesamte Wasser mit den in ihm lebenden Tieren eines nahe liegenden kleinen Sees aushob und es dann über die Ortschaft als „Regen“ wieder fallen ließ. – Solche Erscheinungen sind ähnlich wie Windhosen rasend schnell rotierende Luftwirbel, die sich rüsselförmig aus einer Wolke zur Wasseroberfläche herabsenken. Um die Mitte des Wirbels entwickeln sich Geschwindigkeiten bis zu 400 km/h, die einen stark luftverdünnten Raum (Unterdruck) verursachen. Die dadurch entstehende enorme Saugwirkung ist ohne weiteres in der Lage, große Mengen Wasser samt Lebewesen „aufzusaugen“ und bei Druckausgleich wieder fallen zu lassen.

19.Aus dem Aufschlagen der Regentropfen auf die Blätter des schützenden Laub– Baumes konnte der Vater erkennen, dass es sich um relativ große Tropfen handelt. Von

ihrer Größe kann man nämlich leicht auf die Dauer des Regens schließen. Je größer sie sind, desto höher befinden sich die Wolken. Hohe Wolken ziehen aber sehr schnell vorüber. Niedrige hingegen ziehen meist sehr langsam und regnen sich in kleinen, feinen Tropfen (Nieselregen) ab.

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20.Eine tragende Wand übernimmt außer Eigenlasten auch noch vertikale Auflagelasten aus der Decke. Eine selbst tragende Wand übernimmt lediglich ihre Eigenlast sowie gegebenenfalls anteilige Eigenlasten aus der Dachkonstruktion und leitet diese in das Fundament ab. Eine nicht tragende Wand ist entweder an die Tragkonstruktion des Gebäudes angehängt (Vorhangwand) oder wird von Geschoß zu Geschoß auf die Decke aufgesetzt. Nicht tragende Wände haben keinerlei statische Funktion. Sie sind lediglich „stabile Raumteiler“ oder „Sichtwände“.

21.Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wirkt

auf die Kugeln nur die elektrische Abstoßungskraft, die Kugeln gehen also bis auf den Abstand 21 auseinander.

22. Der Stahlschlüssel kann sich in jedem beliebigen

Punkt der Flüssigkeit befinden, da keine Gewichtskräfte und kein statischer Auftrieb wirken.

23.Es handelte sich um eine Schwefelwasserstoffflamme. Auf der kalten Wasseroberfläche erfolgt eine unvollständige Verbrennung. So scheidet sich elementarer Schwefel ab, der auf dem Wasser schwimmt.

24.Wasser. Das leichteste aller chemischen Elemente ist Wasserstoff; folglich ist sein prozentualer Anteil in Verbindungen mit anderen Elementen kleiner als der aller anderen Elemente. 100g Wasser enthalten rund 80g Sauerstoff. – Wer auf Wasserstoffperoxyd getippt hat, das sogar 84g Sauerstoff auf 100g enthält, bedachte nicht, dass diese Verbindung zersetzbar ist, und zwar umso stärker, je höher seine Konzentration ist.

25.Olaf Römer hatte erstmalig die Lichtgeschwindigkeit gemessen. 1000 Sekunden Zeitverzögerung entsprechen 300 Mill. km; damit konnte er den Wert von 300 000 km je Sekunde errechnen, der sehr nah dem modernen Wert liegt.

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ANTWORTEN auf die FRAGE „WARUM?“

26.Beim Übergang des Lichts zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Brechkraft (Luft und Zucker) wird ein Teil des Lichts reflektiert. Beim vielfachen Durchgang durch die Zuckerkristallchen wird es so fast vollständig reflektiert; der Zucker erscheint weiß.

27.Die Lötverbindung kommt dadurch zustande, dass das geschmolzene Lötmaterial die Oberflächen der zu verbindenden Teile benetzt und sie, wenn es hart geworden ist, vereinigt. Zinn jedoch benetzt die Oxidschicht nicht, mit der das Aluminium bedeckt ist.

28.Die Dichte der Atmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Je höher daher ein Flugzeug fliegt, desto geringer wird der zu überwindende Luftwiderstand, eine umso höhere Geschwindigkeit kann daher das Flugzeug entwickeln.

29.Bei einem Schwimmer (und nicht nur bei ihm), der aus dem Wasser kommt, wird die Kälteempfindung dadurch verursacht, dass zum Verdampfen des Wassers von der Körperoberfläche zusätzlich Energie verbraucht wird. Die Verdampfung erfolgt auf Kosten der Verminderung der inneren Energie der Flüssigkeit: dabei kühlen sich sowohl die Flüssigkeit als auch der sie berührende Körper ab. Bei starkem Wind wird der Verdampfungsprozess noch beschleunigt.

30. Fensterscheiben beschlagen innen bei kaltem Wetter, weil die Wasserdampfmenge in 1 m 3 Zimmerluft bedeutend größer ist als in 1 m 3 Außenluft.

31.Flugzeuge müssen außer der Energie zum Vortrieb auch

Energie aufbringen, um sich in der Luft zu halten, also Auftrieb erzeugen. Deshalb sind Flugzeuge bei sonst gleichen Bedingungen energetisch uneffektiver als erdgebundene Flugzeuge.

32.Beim Feuern von oben werden die Geschosse der

Festungsgeschütze zusätzlich von der Schwerkraft beschleunigt und brauchen deshalb für die gleiche Entfernung eine kürzere Flugzeit. Dadurch werden die Geschosse weniger von den meteorologischen Bedingungen, beispielsweise seitlichem Wind, beeinflusst und treffen genauer.

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