Abi-Check Physik
Grundlagen
Grundidee
Hier stehen einige Fragestellungen aus der Physik, die speziell zum Arbeiten mit einer Formelsammlung gedacht sind. Meist gibt es eine oder zwei grundlegende Formeln, die zur Lösung führen. Man kann damit vor allem prüfen, wie gut man Formeln umstellen und mit Einheiten rechnen kann.
Check 1: ICE
Ein schneller Zug beschleunigt gleichmäßig von 0 auf 300 km/h. Wenn er eine konstante Beschleunigung von 0,5 m/s² (realistisch für ICE) hat, nach welcher Beschleunigungsdauer und nach Fahrstrecke hat er dann die 300 km/h erreicht?
- Basics a) => Beschleunigung
- Basics b) => Meter pro Quadratsekunde
- Basics c) => Stundenkilometer in Meter pro Sekunde
Check 2: Urankugel
Zusammen mit anderen Metallen wie Wolfram, Gold oder Plutonium gehört Uran mit zu den schwersten chemischen Stoffen, die es im Universum gibt. Ein Kubikdezimeter Wasser (ein Liter), als Vergleich, wiegt ziemlich genau 1 Kilogramm. Ein Kubikdezimeter Uran hingegen wiegt rund 19,6 Kilogramm. Welchen Durchmesser hat dann eine Kugel aus Uran, wenn sie genau eine Tonne wiegen soll? Die Kugel ist verblüffend klein.
- Basics a) => Kubikdezimeter in Kubikmeter
- Basics b) => Kugelmasse
- Basics c) => Urandichte
Check 3: Exajoule
Im Jahr 2020 lag der Primärenergiebedarf der Menschheit bei rund 700 Exajoule. Angenommen, man könnte Masse - gemäß Einstein - vollständig in Energie umwandeln, wie groß wäre die entsprechende Kugel aus Uran, um damit den gesamten Energiebedarf der Weltbevölkerung aus dem Jahr 2020 zu decken?
- Basics a) => Exajoule
- Basics b) => E=mc²
- Basics c) => Kugelmasse
Check 4: Längenkontraktion
Mit welcher Geschwindigkeit relativ zu uns müsste sich ein fiktives Raumschiff bewegen, wenn sich seine Länge (in Bewegungsrichtung zu uns) im Sinne der Einsteinschen Längenkontraktion von 100 Meter auf 1 Meter verkürzt?
- Basics a) => Längenkontraktion
- Basics b) => Wurzelrechnung
Check 5: Beschleunigungsspannung
In vielen physikalischen Experimenten werden Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt. Gibt es keine Verluste, dann hängt die Endgeschwindigkeit ausschließlich von der Spannung zwischen dem Startpunkt der Beschleunigung und dem Endpunkt der Beschleunigung ab. Die Länge der Strecke spielt keine Rolle. Wie viele Volt muss die Beschleunigungsspannung betragen, um ein Elektron aus der Ruhe heraus auf 40 Kilometer pro Sekunde zu beschleunigen?
- Basics a) => Beschleunigungsspannung
- Basics b) => Teilchenbeschleuniger
- Basics c) => Elektronenkanone
Check 6: Panzerhaubitze
Im Krieg von Russland gegen die Ukraine (begonnen im Jahr 2022) verwendete die Ukraine unter anderem deutsche Militärtechnik vom Typ Panzerhaubitze 2000. Die Geschosse haben beim Verlassen des Rohres eine Geschwindigkeit von rund 1000 Metern pro Sekunde. Angenommen, die Haubitze würde senkrecht nach oben schießen (was sie nicht kann) und weiter angenommen, es gäbe auf der Erde keine Lufthülle, nach welcher Zeit a) hat das Geschoss seine größte Höhe erreicht und b) nach welchen Zeiten durchfliegt es die halbe Steighöhe? Nimm als Fallbeschleunigung 10 m/s² an.
- Basics a) => Senkrechter Wurf
- Basics b) => Panzerhaubitze 2000
Check 7: Satellitenfall
Angenommen die Internationale Raumstation ISS stürzt aus 300 Kilometern im freien Fall auf die Erde herab. Es gäbe keine bremsende Lüfthülle. Nach wie vielen Sekunden oder Minuten würde der Aufprall erfolgen?
Check 8: LKW Batterie (Starter)
Die Starter-Batterie eines LKW kann zum Beispiel 225 Amperestunden (Ah) sein. Die übliche Spannung liegt bei 12. Wie viele Stunden lang könnte man damit einen haushaltsüblichen Wasserkocher mit einer Leistung von einem Kilowatt (kW) betreiben?
- Basics a) => Batteriekapazität
- Basics b) => Elektrische Leistung
Check 9: Tischtennisball
Angenommen ein Tischtennisball wird mit einer elektrischen Ladung von 70 mal 10 hoch -8 Coulomb aufgeladen. Ein offizieller Tischtennisball wiegt 2,7 Gramm. Wie stark muss ein elektrisches Feld in Newton pro Coulomb (N/C) sein, um den Ball entgegen der Schwerkraftwirkung in einem Schwebezustand halten zu können? Rechne mit g als 10 m/s² oder als Ortsfaktor gedeutet mit 10 N/kg.
- Basics a) => Tischtennisball
- Basics b) => Coulombkraft
- Basics c) => Ortsfaktor [N/kg und m/s²]
- Basics d) => Millikan-Versuch [Anwendung]
Check 10: unfairer Stoß
Zwei Kugeln bewegen sich mit genau je 10 cm pro Sekunde aufeinander zu. Die erste Kugel wiegt 1 Kilogramm, die zweite Kugel hat dieselbe Größe wiegt aber nur 10 Gramm. Die Kugeln sollen zentral und vollkommen elastisch aufeinander stoßen. Berechne die Geschwindigkeiten und die Bewegungsrichtungen der Kugeln nach dem Stoß.
- Basics a) => Zentraler Stoß
- Bascis b) => Impulserhaltung
- Basics c) => Energieerhaltung
Check 11: fairer Stoß
- Nun hat man zwei gleich schwere Kugel mit je einem Kilogramm Masse. Die erste Kugel liegt Still auf dem Tisch, die zweite rollt mit 10 cm pro Sekunde auf die erste Kugel zu. Der Stoß soll wieder elastisch und zentral sein. Wie sind jetzt die Geschwindigkeiten vor und nach dem Stoß?
Lösungen
- Check 1: ICE: a) Rund 167 Sekunden, b) rund 6944 Meter oder fast 7 Kilometer ✓
- Check 2: Urankugel: Der Durchmesser wäre etwa 45 Zentimeter oder 0,45 Meter ✓
- Check 3: Exajoule: Die Urankugel bräuchte einen Durchmesser von etwa 92 cm ✓
- Check 4: v müsste 99,995 % von c sein oder rund 299777510.375 m/s ✓
- Check 5: noch offen
- Check 6: a) nach gut 100 Sekunden, b) nach etwa 29 und nach etwa 171 Sekunden
- Check 7: Satellitenfall: Der Aufprall wäre nach rund 245 Sekunden oder gut 4 Minuten ✓
- Check 8: Etwa 2,7 Stunden
- Check 9: Etwa 38571 N/C [oder V/m]
- Check 10: erste Kugel: 0,096 m/s; zweite Kugel: 0,296 m/s ✓
- Check 11: erste Kugel: 0,100 m/s; zweite Kugel: 0,000 m/s ✓