Entwässerungsgraben
AFB I–IIAm Rand eines Sportplatzes wird ein \(50\,\mathrm m\) langer Entwässerungsgraben ausgehoben. Die Erde wird direkt daneben zu einem Wall aufgeschüttet. Das Querschnittsprofil von Graben und Wall wird beschrieben durch
\(f(x)=\tfrac14x^2-x,\quad0\le x\le6,\)
mit \(x\) und \(f(x)\) in Metern; die x-Achse entspricht dem ursprünglichen Geländeniveau (Material M1).
- Geben Sie die Breite und die größte Tiefe des Grabens an. 2 BE
- ohne HilfsmittelBestimmen Sie den Inhalt der Querschnittsfläche des Grabens. 4 BE
- Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Erde beim Ausheben des Grabens bewegt werden. 2 BE
- ohne HilfsmittelEs gilt \(\int_0^6 f(x)\,\mathrm dx=0\). Interpretieren Sie diese Gleichung im Sachzusammenhang. 4 BE
Insgesamt 12 BE.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f(x)=\tfrac14x(x-4)=0\Rightarrow x=0\) oder \(x=4\): Der Graben ist \(4\,\mathrm m\) breit.
Scheitel in der Mitte bei \(x=2\): \(f(2)=1-2=-1\). Der Graben ist an der tiefsten Stelle \(1\,\mathrm m\) tief.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Auf \([0;4]\) gilt \(f(x)\le0\), eine Teilung ist nicht nötig.
\(\int_0^4 f(x)\,\mathrm dx=\big[\tfrac1{12}x^3-\tfrac12x^2\big]_0^4=\tfrac{64}{12}-8=-\tfrac83\).
\(A=\big|-\tfrac83\big|=\tfrac83\approx2{,}67\,\mathrm{m^2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(V=\tfrac83\,\mathrm{m^2}\cdot50\,\mathrm m=\tfrac{400}3\,\mathrm{m^3}\approx133\,\mathrm{m^3}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(\int_0^6 f(x)\,\mathrm dx=\int_0^4 f(x)\,\mathrm dx+\int_4^6 f(x)\,\mathrm dx=-\tfrac83+\tfrac83=0\), denn \(\int_4^6 f(x)\,\mathrm dx=0-\big(-\tfrac83\big)=\tfrac83\).
Die Querschnittsfläche des Walls über dem Gelände ist genauso groß wie die des Grabens darunter: Die gesamte ausgehobene Erde steckt im Wall, es muss nichts abgefahren oder angeliefert werden (Auflockerung der Erde vernachlässigt). Die Gleichung ist eine Bilanz, kein Flächeninhalt — Graben und Wall zusammen haben einen Querschnitt von \(\tfrac{16}3\,\mathrm{m^2}\).
Hausbatterie
AFB II–IIIEine Photovoltaikanlage lädt tagsüber eine Hausbatterie; abends und nachts versorgt die Batterie das Haus. Die Ladeleistung der Batterie wird modellhaft beschrieben durch
\(P(t)=3\sin\!\Big(\dfrac{\pi}{12}\,t\Big)-0{,}5,\quad0\le t\le24,\)
mit \(t\) in Stunden nach 6:00 Uhr und \(P(t)\) in kW. Positive Werte bedeuten Laden, negative Entladen (Material M1). Die nutzbare Kapazität der Batterie beträgt \(20\,\mathrm{kWh}\).
- GTR/CASErmitteln Sie die Uhrzeiten, zu denen die Batterie vom Entladen zum Laden bzw. vom Laden zum Entladen wechselt. 3 BE
- ohne HilfsmittelZeigen Sie, dass \(\int_0^{24}P(t)\,\mathrm dt=-12\) gilt. 4 BE
- GTR/CASUntersuchen Sie, wie viel Energie im Laufe des Tages in die Batterie geladen und wie viel ihr entnommen wird. 4 BE
- Beurteilen Sie, ob eine Batterie mit \(20\,\mathrm{kWh}\) für dieses Tagesprofil geeignet ist. 3 BE
Insgesamt 14 BE.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(P(t)=0\Leftrightarrow\sin\big(\tfrac\pi{12}t\big)=\tfrac16\). GTR: \(t_1\approx0{,}64\) und \(t_2\approx11{,}36\).
\(0{,}64\,\mathrm h\approx38\,\mathrm{min}\), \(0{,}36\,\mathrm h\approx22\,\mathrm{min}\): Gegen 6:38 Uhr wechselt die Batterie vom Entladen zum Laden, gegen 17:22 Uhr vom Laden zum Entladen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Stammfunktion \(F(t)=-\tfrac{36}{\pi}\cos\big(\tfrac\pi{12}t\big)-0{,}5t\).
\(\int_0^{24}P(t)\,\mathrm dt=F(24)-F(0)=\big(-\tfrac{36}\pi\cos(2\pi)-12\big)-\big(-\tfrac{36}\pi\cos0\big)=-\tfrac{36}\pi-12+\tfrac{36}\pi=-12\).
Der Sinusanteil hebt sich über eine volle Periode auf; übrig bleibt \(-0{,}5\cdot24=-12\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Geladen: \(\int_{t_1}^{t_2}P(t)\,\mathrm dt\approx17{,}24\,\mathrm{kWh}\).
Entnommen: \(\int_0^{t_1}P(t)\,\mathrm dt+\int_{t_2}^{24}P(t)\,\mathrm dt\approx-29{,}24\,\mathrm{kWh}\) (Kontrolle mit b): \(17{,}24-29{,}24=-12\)).
An diesem Tag werden etwa \(17{,}2\,\mathrm{kWh}\) geladen und \(29{,}2\,\mathrm{kWh}\) entnommen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Laden: \(17{,}2\,\mathrm{kWh}<20\,\mathrm{kWh}\) — die tagsüber geladene Energie passt vollständig in die Batterie.
Entladen: Abends und nachts werden \(29{,}2\,\mathrm{kWh}\) gebraucht; selbst eine volle Batterie liefert höchstens \(20\,\mathrm{kWh}\). Außerdem ist die Tagesbilanz \(-12\,\mathrm{kWh}\): Ohne Netzstrom würde der Ladestand jeden Tag um 12 kWh sinken.
Urteil: Als Zwischenspeicher für den Solarstrom ist die Batterie passend groß, die vollständige Versorgung über Nacht leistet sie nicht — das Haus braucht zusätzlich Netzstrom oder eine größere Solaranlage. Vollständig ist eine Antwort, die beide Energiemengen mit der Kapazität vergleicht und die Bilanz aus b) einbezieht.
