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Klassenstufe 7
Die Sächsische Physikolympiade wird für die Klassenstufen 7 bis 10 als dreistufiger Wettbewerb durchgeführt. Alle Schüler der sächsischen Gymnasien sind aufgerufen, sich an der 1. Stufe zu beteiligen!
Knobelt, rechnet und experimentiert zu Hause und gebt eure Lösungen bis spätestens
15. November 2010
bei eurem Physiklehrer ab! Jeder Teilnehmer erhält eine Urkunde. Die besten Schüler aus deiner
Region erhalten die Chance, zur 2. Stufe am 9. März 2011 noch einmal Wissen und Geschick unter Beweis zu stellen, bevor sich die Erfolgreichsten am 8./9. April 2011 zum Landesausscheid in
Chemnitz treffen.
Viel Spaß und Erfolg wünschen euch die Organisatoren vom Verein zur Förderung der Sächsischen
”
Physikolympiade e.V.“ – und natürlich ...
... euer Physli!
Hinweis: Die Lösungen müssen in jedem Falle vollständig begründet werden! Ein Antwortsatz allein
genügt nicht! Die Aneignung über den Schulstoff hinausgehenden Wissens aus Büchern, Internet, etc.
ist ausdrücklich erwünscht. Gleichzeitig gilt der Grundsatz ehrlicher wissenschaftlicher Arbeit; d.h.
die eigentliche Aufgabenlösung ist von jedem Teilnehmer selbständig zu finden und zu formulieren.
Benutzte Quellen sind anzugeben!
Aufgabe 120711
Physli begibt sich auf eine Entdeckungsreise und hofft, viele aufregende Dinge zu erkunden. Seine
erste Stadt, die er besucht, ist Paris. Dort beeindruckt ihn erst einmal das Wahrzeichen dieser Stadt,
der Eiffelturm. Von Herrn Eiffel erbaut, steht diese beeindruckende, 300 Meter hohe Stahlkonstruktion
im Herzen von Paris im strahlenden Sonnenschein. Da stellt sich für Physli die erste Frage.
a) Um wie viele Zentimeter ist der Eiffelturm im Sommer bei einer Temperatur von 35 ◦C länger
als im Winter bei −20 ◦C?
Er erfährt, dass die 25 m lange Stahlantenne auf dem Turm bei einem Temperaturunterschied
von 10 K ihre Länge um 3 mm ändert. Berechne den Längenunterschied des Eiffelturms zwischen
Sommer und Winter.
b) Sein nächstes Ziel ist der Louvre mit der Gemäldesammlung. Davor hat ein amerikanischer
Architekt 1981 eine gläserne Pyramide erbaut. Diese Pyramide besteht aus insgesamt 670
Glassegmenten. Jedes Segment hat eine Fläche von 3 m2 und ist 2 cm dick. Wie viele Tonnen
Glas mussten beim Bau transportiert werden, wenn die Dichte des Glases 2,5 g/cm3 beträgt?
Abb. 1: Pyramide vor dem Louvre
c) Im Inneren des Louvre müssen die wertvollen Gemälde gegenüber Temperaturschwankungen
geschützt werden. Dazu sind Messvorrichtungen in den Räumen angebracht. Physli überlegt,
wie eine solche Vorrichtung funktionieren könnte. Er überlegt sich einen Plan für eine solche
Vorrichtung. Er verwendet eine Spannungsquelle, eine Kontrolllampe und einen Bimetallstreifen
für seine Vorrichtung.
Zeichne einen geeigneten Schaltplan, so dass die Lampe bei zu hoher Temperatur leuchtet!
Kennzeichne in deiner Schaltung wo sich bei dem Bimetallstreifen der Stoff mit der höheren
Ausdehnung befinden muss! Begründe!
Aufgabe 120712
Weiter geht Physlis Erkundungstour im Museum. Dort entdeckt er verblüffende Erfindungen.
a) Im Altertum waren Thermometer noch unbekannt. Aber es gab schon Geräte, mit denen man
Temperaturänderungen nachweisen konnte. Der Grieche Philon von Byzanz benutzt eine hohle,
luftgefüllte Bleikugel mit einem angeschlossenen Rohr. Dieses Rohr tauchte er mit seinem freien
Ende in Wasser ein (Vgl. Abb. 2a). Erkläre wie man mit diesem Gerät Temperaturänderungen
nachweisen kann!
b) In einem anderen Raum sieht Physli verschiedene Tongefäße. Diese Tonkrüge sind alle porös
und wenn man Wasser in ihnen aufbewahrt, werden die Krüge außen nass. Komische Erfin”
dung“ denkt er. Doch dann überlegt Physli, was der Sinn der Sache sein könnte. Erkläre, was
man mit einem solchen porösen Krug erreichen wollte und wie es funktioniert!
c) In einer Abbildung (Abb. 2b) konnte Physli entdecken, dass schon beim Bau der Pyramiden
Hilfsmittel verwendet wurden. Schwere Steinblöcke (m = 1 t) sollten angehoben werden.
Wo muss der Drehpunkt entlang der 13 Meter langen Stange angebracht sein, wenn an jeder
Seite drei Arbeiter mit je einer Kraft von 500 N ziehen? Berechne!
(a)
(b) Pyramidenbau
Abb. 2
Aufgabe 120713
Als Physli seine Erkundungstour beendet hat, will er aus seiner Wasserflasche etwas trinken. Verärgert stellt er fest, dass ein Teil des Wassers
durch ein kleines Loch ausgelaufen ist. Sofort kommt er auf die Idee, das
Auslaufverhalten von Flüssigkeiten zu untersuchen.
a) Bohre in eine Wasserflasche (1,5 l) ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 1 mm. Der Abstand der Bohrung von der Grundfläche
der Flasche beträgt 5 cm. Fülle die Flasche vollständig mit Wasser
und lasse bei geöffnetem Drehverschluss einmal 100 ml und einmal
200 ml Wasser auslaufen und bestimme jeweils die dafür benötigte
Zeit!
Führe den Versuch noch einmal durch. Jetzt soll der Abstand der
Bohrung von der Grundfläche 15 cm betragen. Vergleiche und erkläre deine Versuchsergebnisse!
b) Untersuche in einem weiteren Experiment den Zusammenhang zwischen ausgelaufener Wassermenge und benötigter Zeit genauer.
(Wasserflasche mit Bohrung in 5 cm Höhe) Bestimme die Zeiten
für das Auslaufen von 100; 200; ... 1000 ml. Stelle die ausgelaufene
Wassermenge in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm dar!
Welche Informationen kannst du dem Diagramm entnehmen?
Abb. 3