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Physik-Denksport

   
 
   
 

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Zu Physikdenksport-Lösungen

 

 

 

Physik-Denksport ist eigentlich anschauliches physikalisches Denken - nicht formelfixiert, sondern auf inneres Verständnis physikalischer Zusammenhänge zielend. Es geht also nicht primär um Berechnungen. Im Alltag begegnen uns viele Dinge, die bei genauerem Nachdenken gar nicht so einfach zu erklären sind. Natürlich kann uns ein Physiker eine Formel an den Kopf schmeissen - und die Sache hat sich. Ein inneres Verständnis des Phänomens gewinnen wir dadurch jedoch nicht.

Hier einige solche Fragen:

  • Warum treffen ungleich schwere Gegenstände, die aus gleicher Höhe fallen gelassen werden, gleichzeitig auf dem Boden auf (wenn der Luftwiderstand keine Rolle spielt) ?
  • Warum lässt eine verengende Düse am Gartenschlauch das Wasser weiter spritzen?
  • Wie hoch muss ein Wandspiegel sein, damit man sich in ihm gerade von Kopf bis Fuss sieht?
  • Warum erreicht uns Sonnenwärme durchs Vakuum des Weltalls hindurch?

Wer nur Formeln büffelt, hat damit die inneren Zusammenhänge noch nicht verstanden und wird eventuell beim Erklären "einfacher" Alltagserscheinungen kläglich scheitern.

 

Ein hervorragendes Buch ist hier unbedingt zu nennen und zu empfehlen:

Lewis C. Epstein, Epsteins Physikstunde, Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin, 1989 / 1992

buchcover

Vom gleichen Verfasser:

Lewis C. Epstein, Relativitätstheorie anschaulich dargestellt, Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin, 1988

 
 
 
 
 

Aufgabe 1: Boot und Stein

In einem kleinen Teich schwimmt ein kleines Schalenboot, in dem sich ein Stein befindet. Jetzt wirft man den Stein aus dem Boot in den Teich. Was passiert mit dem Wasserpegel? Mögliche Antworten:

a) Der Wasserpegel steigt.

b) Der Wasserpegel sinkt.

c) Der Wasserpegel bleibt gleich.

 

boot
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Traditional_fishing_boat#mediaviewer/File:Coracles_River_Teifi.jpg

Hinweis: Man übertreibe die Aufgabe: Der Stein ist im Vergleich zum Boot klein und schwer. Man denke sich den Stein nun sehr, sehr klein und sehr, sehr schwer...

 
 
 
 
 

Aufgabe 2: Ballspiel auf dem Karussell

karussell

Das Karussell dreht sich in Pfeilrichtung.
Aussen steht Person A, innen Person B.

Fig a): A wirft oder rollt B einen Ball zu. A zielt genau in Richtung von B.
Was trifft zu?

a) Der Ball trifft genau bei B ein.

b) Der Ball fliegt oder rollt von A aus gesehen links an B vorbei.

c) Der Ball fliegt oder rollt von A aus gesehen rechts an B vorbei.

 

karussell

Fig. a)                              Fig. b)

 


Fig b): Nun hat B einen Ball in der Hand und rollt ihn genau in die Richtung von A. Was passiert?

a) Der Ball trifft genau bei A ein.

b) Der Ball rollt von B aus gesehen links an A vorbei.

c) Der Ball rollt von B aus gesehen rechts an A vorbei.

 

 

Quellen:
Epsteins Physikstunde
Temporär installierter Versuch im Technorama Winterhur

 
 
 
 
 

Aufgabe 3: Der geheimnisvolle Koffer

drehkoffer

Hier sieht man durch die linke Kofferwand ins Innere eines Koffers mit einem seltsamen Innenleben *. Ein solcher Koffer war einst im Technorama Winterthur auszuprobieren.
Im Innern des Koffers rotiert -angetrieben durch eine im Mittelklotz versteckte Pumpe- eine Flüssigkeit in Pfeilrichtung im Kreis herum. Im Technorama war es ein Schwungrad.
Trägt man den Koffer geradeaus, merkt man nicht viel von diesem Innenleben; man spürt einfach das Gewicht des Koffers und der Flüssigkeit.
Was aber passiert, wenn wir mit diesem Koffer in der Hand eine Linkskurve gehen?

*) Die geniale Idee mit dem Flüssigkeitsstrom stammt von L.C.Epstein: Epsteins Physikstunde

 

drehkoffer2

Welche Antwort ist richtig?

a) Der Koffer kippt wie im Bild a) "aus der Kurve heraus".

b) Der Koffer kippt wie in Bild b) "in die Kurve hinein".

c) Der Koffer widersetzt sich der Drehung wie im Bild c.

d) Der Koffer dreht sich einfach ganz normal um die Ecke.

Links:
Uni Göttingen
http://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession

 
 
 
 
 

Aufgabe 4: Eintauchen

eintauchen

 

Ein Aluminiumwürfel mit Kantenlänge 4 cm hängt an einer Federwaage, die mit einer "Gramm-Skala" versehen ist*. Die Federwaage zeigt 172.8 g an. Auf einer Küchenwaage steht ein Becken mit Wasser. Die Küchenwaage zeigt genau 1000 g an. Nun wird der Aluwürfel an der Federwaage in Wasser eingetaucht. Was zeigen nun Federwaage und Küchenwaage an?

Die Federwaage zeigt...

Die Küchenwaage zeigt...



* Eigentlich zeigt eine Federwaage ja ein Gewicht, d.h. eine Kraft, an (im Beispiel obigen Aluwürfels ca. 1.7  N). Für Alltagszwecke sind viele "Waagen" - wie auch Küchenwaagen - "umgeeicht" in Masse-Einheiten.

 
 
 
 
 

Aufgabe 5: Elektromagnet

elektromagnet1

 

Das Bild zeigt einen Elektromagneten: In einer Drahtspule befindet sich ein Eisenzylinder. Schaltet man den Strom ein, wird der Eisenzylinder magnetisch. Unterbricht man den Strom, verschwindet die Magnetwirkung wieder.

 

Herr Schlaumeier überlegt nun folgendes:
"Strom macht also das Eisen zu einem Magneten. Dann kann ich die Sache doch auch umkehren:

elektromagnet2

Wenn in der Spule ein richtiger Dauermagnet liegt (rot), müsste dann nicht Strom durch die Drähte fliessen?"

Was trifft zu?

a) Herr Schlaumeier hat recht.

b) Herr Schlaumeier hat nicht recht.

 
 
 
 
 

Aufgabe 6: Elektromotor-Bremse

ICE

Als die ersten Elektrolokomotiven durch die Alpen fuhren, wurde vorgeschlagen, dass diese Lokomotiven auf langen Gefällstrecken wie folgt bremsen sollten:

Man trennt den Elektromotor von der Zuleitung ab und schliesst ihn stattdessen an einen grossen Drahtwiderstand an, z.B. an eine grosse Spule aus Eisendraht. Der Motor dreht sich wegen des Gefälles und produziert deshalb Energie, d.h. er wirkt wie ein Dynamo. Mit diesem Strom heizt er den Drahtwiderstand auf: Wärme verpufft. Die Motoren-Energie wird also in Wärme umgewandelt, der Motor verliert Energie und bremst somit ab.

 

Geht dies tatsächlich?

 

a) ja

b) nein

 
 
 
 
 

Aufgabe 7: Elektromotor

 

In der Lösung zu Aufgabe 5 ("Elektromagnet") wird erklärt, dass Strom entsteht, wenn ein Permanent-Magnet in einer Spule (oder eine Spule in einem Magnetfeld) bewegt wird.

 

Auch ein Elektromotor besteht aus Drahtspulen, die sich in einem Magnetfeld drehen, wenn Strom durch die Spulen fliesst.
Wenn man nun umgekehrt den Elektromotor von Hand (oder durch einen andern mechanischen Antrieb) dreht, wird in den Drähten des Motors Strom erzeugt: Man hat einen Stromgenerator, einen Dynamo.

 

Herr Schlaumeier überlegt nun so:

"Ein Elektromotor, den ich von Hand antreibe, wirkt also als Stromerzeuger, als Generator. - Einem Elektromotor ist aber doch egal, wodurch er angetrieben wird: Dreht sich der Rotor, wird einfach Strom erzeugt.
Wenn ich nun also den Elektromotor an eine Stromquelle anschliesse, beginnt er zu laufen und damit verbraucht er nicht nur elektrische Energie, sondern er erzeugt gleichzeitig auch elektrische Energie."

a) Herr Schlaumeiers Überlegung ist richtig.

b) Herr Schlaumeier hat irgendwo einen Denkfehler gemacht; ein Motor kann nicht gleichzeitig elektrische Energie brauchen und erzeugen.

Quelle: Epsteins Physikstunde (s. Quellenangabe am Anfang)

 
 
 
 
 

Aufgabe 8: Fadenspule

fadenspulaufgabe

 

Eine Spule, auf der Faden oder dünner Draht aufgewickelt ist, hat einen inneren Kern mit Radius r und zwei äussere Scheiben mit Radius 2r.

Man hzieht einmal sehr flach (Bild oben) und einmal sehr steil (Bild unten) am Faden.
Welche der folgenden Aussagen trifft zu?

Oberes Bild:
a) Die Spule rollt zur ziehenden Person hin.

b) Die Spule rollt von der ziehenden Person weg.

Unteres Bild:
a) Die Spule rollt zur ziehenden Person hin.

b) Die Spule rollt von der ziehenden Person weg.

Quellen:
Diese Fadenspulaufgabe erscheint in verschiedensten Physiklehrgängen und -vorlesungen. Sie erscheint z.B. auch in:
Norbert Treitz, Spiele mit Physik, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a.M. 1983, ISBN 3-87144-632-7.

 
 
 
 
 

Aufgabe 9: Fallende Körper 1

fallende bloecke

 

Ein grosser und ein kleiner Quader aus gleichem Material fallen in die Tiefe (Bild links, obere Reihe). Wenn man vom Luftwiderstand absieht:
Welche der folgenden Aussagen trifft zu:

a) Der schwerere Körper trifft früher auf dem Boden auf als der leichtere.

b) Der leichtere Körper trifft früher auf.

c) Beide treffen gleichzeitig auf.

Und wie steht es mit den Körpern der unteren Reihe der Illustration?

a) Die Kombination 1+2 rechts trifft später auf dem Boden auf als der Körper 1 (links) allein.

b) Die Kombination 1+2 trifft früher unten auf als Körper 1 allein.

c) Beide treffen gleichzeitig auf.

Quelle: Ernst Mach: Die Mechanik in ihrer Entwicklung. ISBN 3-534-05873-9

 
 
 
 
 

Aufgabe 10: Fallende Körper 2

 

fall

 

Beim Lösen dieser Aufgabe ist kein physikalisches Formelwissen nötig. Geschicktes gedankliches Verknüpfen von Alltagserfahrungen genügt.

 

1. Frage:
Zwei Kugeln oder Steine werden gleichzeitig von einem Turm aus fallen gelassen. Der eine Stein startet allerdings 1 m höher als der andere (s. Bild). Was trifft zu?

a) Der Abstand zwischen den Kugeln bleibt während des Fallens unverändert.

b) Der Abstand zwischen den Kugeln vergrössert sich.

c) Der Abstand zwischen den Kugeln verringert sich.

 

2. Frage, etwas schwieriger:
Nehmen wir an, die beiden Kugeln wurden aus 20 m bzw. 21 m Höhe gleichzeitig fallen gelassen. Die obere Kugel schlägt einen kurzen Moment nach der unteren Kugel auf dem Boden auf.
Wenn wir jetzt den ganzen Versuch auf einen höheren Turm verlegen (Kugeln wieder mit 1 m Höhenunterschied gleichzeitig fallen gelassen), was trifft dann zu?

a) Die Zeitspanne zwischen dem Aufschlagen der beiden Kugeln bleibt gleich wie auf dem tieferen Turm.

b) Die Zeitspanne wird kürzer.

c) Die Zeitspanne wird länger.

3. Frage:
Wieder werden zwei Steine oder Kugeln von einem Turm aus fallen gelassen. Diesmal starten die Kugeln vom gleichen Ort aus, aber die zweite Kugel startet 0.5  s nach der ersten. Was trifft jetzt zu?

a) Der Abstand zwischen den Kugeln bleibt stets gleich.

b) Der Abstand vergrössert sich zunehmend.

4. Frage:
Die zweite Kugel starte 0.5 s nach der ersten Kugel. Wie viel Zeit nach der ersten Kugel wird die zweite Kugel auf dem Boden aufschlagen?

a) Die zweite Kugel schlägt 0.5 s nach der ersten auf dem Boden auf.

b) Die zweite Kugel schlägt mehr als eine halbe Sekunde nach der ersten auf.

c) Die zweite Kugel schlägt weniger als eine halbe Sekunde nach der ersten auf

Quelle: Epsteins Physikstunde

 
 
 
 
 

Aufgabe 11: Einwurf beim Fussball

einwurf

Wird eine Kugel mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung schräg nach oben abgeschossen, so weiss man, dass bei einem Abflugwinkel von 45° schräg nach oben die Kugel am weitesten fliegt.

 

Was trifft wohl beim zweihändigen Einwurf im Fussball zu?

Der Winkel, der den Ball am weitesten fliegen lässt, ist

a) 45°.

b) steiler als 45°.

c) flacher als 45°.

 
 
 
 
 

Aufgabe 12: heiss und kalt

Versuch 1:
Man mischt 100 g siedendes Wasser (100° C) mit 100 g eiskaltem Wasser (0°C). Welche Mischtemperatur ist zu erwarten?

a) 25°

b) 50°

c) 75°

 

Versuch 2:
Man mischt 100 g Eis von 0°C mit 100 siedendem Wasser (100° C). Was trifft zu?

Die Mischtemperatur ist

a) die gleiche wie in Versuch 1.

b) höher als in Versuch 1.

c) tiefer als in Versuch 1.

Quelle: N. Treitz: Spiele mit Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a.M. 1983.

 
 
 
 
 

Aufgabe 13: Holzstab balancieren

holzstab

Man hat einen dünnen Holzstab oder einen Besenstiel. Wie kann man ohne zu messen die Mitte feststellen?
Die Antwort wird vermutlich nicht schwerfallen: Man balanciert den Stab auf einem dünnen Gegenstand, etwa einer Messerklinge und bestimmt so den Schwerpunkt.

Den Schwerpunkt erhält man auch durch folgende kleine Vorführung:

Man hält den Stab auf beiden Zeigefingern. Die Finger müssen überhaupt nicht gleich weit von der Mitte entfernt sein. Jetzt bewegt man die beiden Zeigefinger langsam und sorgfältig gegeneinander. Was passiert? - Ausprobieren.

Der Stab wird mal auf dem einen, mal auf dem andern Finger gleiten und auf dem jeweils andern Finger haften (Erklärung?). Gegen die Mitte hin wechselt dieses Spiel zwischen den Fingern immer schneller ab, und man landet auf jeden Fall beim Schwerpunkt.

Quellen:
- Diese Aufgabe erscheint in verschiedensten Physiklehrgängen und -vorlesungen.
- Sie erscheint auch in: Norbert Treitz, Spiele mit Physik, Verlag Deutsch, 1983

 

Frage 1:
Was trifft zu?

a) Das geht nur, weil beide Hände sich bewegen können.

b) Es geht auch, wenn eine Hand (mit ausgestrecktem Zeigefinger) auf einer Stuhllehne ruht. (Ausprobieren.)

Frage 2:
Was trifft zu?

a) Man kann mit diesem Vorgehen sogar den Schwerpunkt eines ganzen Besens (Stiel plus Borsten) bestimmen.

b) Nein, das geht nicht.

Frage 3:
Was trifft zu?

a) Das ganze geht auch, wenn man zwei Gummihandschuhe anzieht, welche die Reibung vergrössern.

b) Nein, dann geht es nicht mehr.

Frage 4:
Was trifft zu?

a) Es gelingt auch, wenn ich nur an einer Hand einen Gummihandschuh trage.

b) Nein, das geht nicht.

 
 
 
 
 

Aufgabe 14: Der berühmte Kletteraffe

Dieses Rätsel vom Kletteraffen erscheint in unzähligen Physikbüchern und -vorlesungen. Unsere Bildquelle: www.physik.uni-muenchen.de.

affe

 

Affe und Gewicht sind gleich schwer.
Das Seil läuft oben über eine Rolle.
Der Affe in unserem Bild klettert in die Höhe. Was passiert mit dem Gewicht?

a) Es sinkt.

b) Es bleibt an Ort und Stelle.

c) Es steigt.

 
 
 
 
 

Aufgabe 15: Krafttraining

liegestuetz

Arbeit oder nicht?
In manchen Physikbüchern liest man, dass physikalische Arbeit zum Beispiel bedeute, ein Gewicht um eine gewisse Höhe anzuheben (gegen die Erdanziehung). Manchmal wird dann noch ergänzt, dass das reine Halten eines Gewichtes keine Arbeit bedeute, denn das Gewicht bleibe ja am Ort und werde nicht angehoben.

Solche Situationen sind zum Beispiel folgende:

- Wir strecken einen Arm aus und jemand gibt uns eine Hantel in die Hand. Die halten wir jetzt ruhig nach aussen.
- Wir hängen mit gebeugten Armen an einer Reckstange.
- Wir stützen uns mit leicht gebeugten Armen in der Liegestützstellung auf, ohne uns zu bewegen.

 

Welche der folgenden Aussagen treffen zu?

a) In den vorgängig beschriebenen Situationen verrichte ich keine Arbeit, denn ich bewege mich ja überhaupt nicht.

b) Ich verrichte trotzdem Arbeit, denn ich merke ja, wie ich zunehmend erschöpft werde und ich beginne auch zu schwitzen.

c) Die Physik kann auf diese Situationen nicht angewendet werden.

 

Nach Richard Feynmann, Vorlesungen über Physik, 2. Band, Oldenburg-Verlag, 2001.

 
 
 
 
 

Aufgabe 16: Kreisbewegung

zentri1

Abb. 1

zentri2

Abb. 2

rollwagen

Abb. 3

 

Abb. 1: Eine Kugel ist an einer Schnur befestigt und wird im Kreis herumgeschwungen. Der Faden läuft in der MItte durch ein fest montiertes Röhrchen. Zieht man am hellblauen Ringlein unten, verkürzt sich die Schnur und die Kugel gerät von der Umlaufbahn 1 allmählich auf die engere Umlaufbahn 2.
Man zieht nun eine kurze Zeit am hellblauen Ringlein und verkürzt so den Faden. Was trifft für Position 2 zu?

a) Die Geschwindigkeit der Kugel hat sich in Position 2 erhöht.

b) Die Geschwindigkeit hat sich nicht verändert.

c) Die Geschwindigkeit hat sch verringert.

 

Abb 2: Die Kugel läuft wieder an einem Faden rundherum, diesmal ist der Faden an einem Pfosten mit sechseckigem Profil befestigt, wird am Pfosten aufgewickelt und daher immer kürzer. Die Kugel durchläuft die Positionen 1 bis 7. Was trifft beim Kreisen und Aufwickeln des Fadens zu?

a) Die Geschwindigkeit der Kugel vergrössert sich zusehends.

b) Die Geschwindigkeit ändert sich nicht.

c) Die Geschwindigkeit verringert sich.

 

Abb. 3: Dieses Beispiel stammt -leicht abgewandelt- nochmals aus dem Buch von L.C. Epstein ("Epsteins Physikstunde"):
Ein Luftkissenfahrzeug gleitet antriebslos, aber ohne Gleitwiderstand mit konstanter Geschwindigkeit auf der äusseren Kreisbahn 1.
Nun wird eine Weiche gestellt und das Fahrzeug gelangt in den inneren Kreis 2. Was trifft zu?

a) Die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht sich im inneren Kreis.

b) Die Fahrzeuggeschwindigkeit bleibt auch im inneren Kreis unverändert.

 
 
 
 
 

Aufgabe 17: Kräfte

keil1

 

Eine schwere Metallkugel steckt in einem keilförmigen Spalt (Öffnungswinkel 45°). Die Kugel drückt dabei an den rot bezeichneten Punkten auf die Spaltwände und übt dabei eine Kraft auf diese Wände aus.
Betrachten wir die durch den roten Pfeil gekennzeichnete Kraft, welche die Kugel auf die rechte Wand ausübt.
Was trifft zu?

a) Diese Kraft ist kleiner als die Gewichtskraft der Kugel, da sich das Gewicht der Kugel ja auf zwei Aulagepunkte verteilt.

b) Diese Kraft ist exakt die Hälfte der Gewichtskraft der Kugel.

c) Diese Kraft ist gleich gross wie die Gewichtskraft der Kugel.

d) Diese Kraft ist grösser als die Gewichtskraft der Kugel.

 
 
 
 
 

Aufgabe 18: Möwenfüsse

moewenfuss

 

Das Bild zeigt schematisch einen Möwenfuss mit den Blutbahnen. Rot: zufliessendes Blut. Blau: zurückfliessendes Blut. Die Hauptblutbahnen in den Möwenbeinen, die das Blut in die Füsse (rot) und von den Füssen wieder zurück in den Körper (blau) führen, sind eng miteinander in Kontakt.
Welche Vorteile hat dies?

Welche Behauptung trifft zu?

a) Es hat mit der Stabilität zu tun.

b) Es ist ein Platzproblem in den dünnen Beinen.

c) Es verhindert allzu grossen Wärmeverlust beim Stehen auf Eis und gefrorenen Böden.

 

 
 
 
 
 

Aufgabe 19: Fallende und rollende Zylinder

zylinder a

zylinder b

 

Das Bild zeigt links einen metallenen Hohlzylinder und rechts einen massiven Holzzylinder. Beide seien gleich schwer. Wir könnten uns beim Hohlzylinder noch zwei dünne Deckel denken, welche den Hohlraum unsichtbar machen. Beide Zylinder könnten gleich bemalt werden, so dass sie äusserlich nicht zu unterscheiden sind. Auch das Gewicht unterscheidet sie nicht.

Frage 1: Beide Zylinder werden aus gleicher Höhe gleichzeitig fallen gelassen. Was trifft zu?

a) Beide Zylinder treffen gleichzeitig auf dem Boden auf.

b) Der massive Holzzylinder trifft früher auf.

c) Der metallene Hohlzylinder trifft früher auf.

Frage 2: Nun lässt man beide Zylinder eine schiefe Ebene hinunterrollen. Was trifft zu?

a) Beide Zylinder rollen gleichzeitig über die Ziellinie am unteren Ende der schiefen Ebene.

b) Der Holzzylinder ist schneller am Ziel.

c) Der metallene Hohlzylinder ist schneller am Ziel.