Aufgabenblock — AFB II
10 Sachaufgaben aus den Unterkapiteln 3.1.1 bis 3.3.2. Jede Aufgabe braucht mehrere Schritte und einen Übersetzungsschritt in die reale Situation: „Umdrehungen pro Minute“ ist noch keine Frequenz, „4,7 cm“ ist noch kein einsetzbarer Radius. Bei Schwierigkeiten helfen dir die gestuften Tipps.
Ein Kreispendel führt 2 Umdrehungen in 3 Sekunden aus.
a) Wie groß ist die Umlaufdauer T? b) Wie groß ist die Frequenz f (zwei Nachkommastellen)?
Vollständige Lösung
Die Scheiben einer Festplatte rotieren mit 7200 Umdrehungen pro Minute. Ein Punkt am Rand hat den Abstand r = 4,7 cm von der Drehachse.
a) Berechne die Drehfrequenz f in Hertz. b) Berechne die Bahngeschwindigkeit v dieses Punktes (zwei Nachkommastellen).
Vollständige Lösung
Dieselbe Festplatte (r = 4,7 cm) rotiert jetzt nur noch mit 5400 Umdrehungen pro Minute.
a) Wie groß ist die Drehfrequenz? b) Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit am Rand (zwei Nachkommastellen)?
Vollständige Lösung
Bei einfacher Lesegeschwindigkeit ist die Bahngeschwindigkeit einer CD konstant: v = 1,2 m/s. Die innerste Datenspur liegt bei r1 = 2 cm, die äußerste bei r2 = 5,5 cm.
a) Mit welcher Frequenz dreht der Motor beim Lesen der inneren Spur? b) Und beim Lesen der äußeren Spur? (Jeweils zwei Nachkommastellen.)
Vollständige Lösung
innen: f1 = 1,2 / (2π · 0,02) = 9,55 Hz
außen: f2 = 1,2 / (2π · 0,055) = 3,47 Hz
Damit die Bahngeschwindigkeit gleich bleibt, muss der Motor innen schneller drehen als außen.
Eine Schallplatte dreht sich mit 45 Umdrehungen pro Minute.
a) Berechne die Frequenz f. b) Berechne die Winkelgeschwindigkeit ω (zwei Nachkommastellen).
Vollständige Lösung
T = 1 / f = 1,33 s
ω = 2π · f = 2π · 0,75 Hz = 4,71 1/s
Auf derselben Platte (ω = 4,71 1/s) steht der Tonabnehmer beim ersten Song bei r1 = 14,5 cm, beim letzten Song bei r2 = 6,5 cm.
a) Bahngeschwindigkeit beim ersten Song? b) Beim letzten Song? (Zwei Nachkommastellen.)
Vollständige Lösung
v2 = ω · r2 = 4,71 1/s · 0,065 m = 0,31 m/s
Obwohl sich die Platte immer gleich schnell dreht, ist die Nadel außen mehr als doppelt so schnell wie innen.
Beim Tonband läuft das Band mit v = 19 cm/s am Tonkopf vorbei. Die volle Spule hat den Radius r1 = 5,5 cm.
a) Berechne die Winkelgeschwindigkeit ω1 der vollen Spule. b) Berechne die zugehörige Umlaufdauer T1. (Zwei Nachkommastellen.)
Vollständige Lösung
ω1 = v / r1 = 0,19 / 0,055 = 3,45 1/s
T1 = 2π / ω1 = 2π / 3,45 = 1,82 s
Die leere Spule (r2 = 2,2 cm) dreht mit ω2 = 8,64 1/s deutlich schneller.
Dasselbe Tonband ist 540 m lang und läuft mit v = 19 cm/s am Tonkopf vorbei.
a) Wie lange dauert das Abspielen in Sekunden? b) Wie viele Minuten sind das (zwei Nachkommastellen)?
Vollständige Lösung
t = 540 m / 0,19 m/s = 2842 s
2842 s / 60 = 47,37 min
Die Radien der Spulen spielen dabei keine Rolle — nur die Bandgeschwindigkeit am Tonkopf.
Auf einem Karussell mit der Umlaufdauer T = 5,0 s sitzt ein Kind innen bei r1 = 1,0 m, ein zweites außen bei r2 = 2,6 m.
a) Bahngeschwindigkeit innen? b) Bahngeschwindigkeit außen? (Zwei Nachkommastellen.)
Vollständige Lösung
v2 = 2π · 2,6 m / 5,0 s = 3,27 m/s
Alle Plätze haben dieselbe Umlaufdauer und dieselbe Winkelgeschwindigkeit — allein der Radius entscheidet über die Bahngeschwindigkeit.
Das Kind auf dem äußeren Platz (r2 = 2,6 m, v2 = 3,27 m/s) hat die Masse m = 40 kg.
a) Berechne die Zentripetalbeschleunigung aZ (zwei Nachkommastellen). b) Berechne den Betrag der Zentripetalkraft FZ (eine Nachkommastelle).
Vollständige Lösung
FZ = m · aZ = 40 kg · 4,11 m/s² = 164,5 N
Diese Kraft zeigt nach innen und hält das Kind auf der Kreisbahn. Nach außen spürt es die gleich große Zentrifugalkraft — verursacht durch seine Trägheit.
