Physiktest Nr. 1
Stufe 9
Name: Datum: Klasse:
1 Ein unbekannter Widerstand soll ermittelt werden.
1.1 Zeichne einen Schaltplan dieser Experimentieranordnung!
1.2 Beschreibe die Vorgehensweise!
2 Bei Messungen für zwei elektrische Bauelemente 1 und 2 wurden folgende Werte
ermittelt:
U in V 1 2 4 5 7
I1 in mA 140 285 560 695 980
I2 in mA 175 300 455 515 595
2.1 Trage die Messwerte für Bauelement 1 und 2 in ein I-U-Diagramm ein!
Zeichne die beiden Graphen!
2.2 Für welches der beiden Bauelemente gilt das Ohmsche Gesetz? Begründe!
2.3 Welches der beiden Bauelemente könnte eine Glühlampe sein?
3 Ein Kupferdraht ist 120 m lang.
3.1 Vergleiche seinen Widerstand mit dem Widerstand eines 480 m langen Kupferdrahtes
bei gleichem Querschnitt! Begründe!
3.2 Vergleiche seinen Widerstand mit dem Widerstand eines gleichlangen Kupferdrahtes
mit dreifachem Querschnitt!
4 In einem Haushalt werden gleichzeitig ein Staubsauger (230 V/1100 W) und ein
Heißwasserspeicher (230 V/1.5 kW) in einem gemeinsamen Stromkreis betrieben.
4.1 Zeichne einen Schaltplan, in dem Sie die Geräte als Ohmsche Widerstände darstellen!
4.2 Berechne die Teilstromstärken und die Gesamtstromstärke!
4.3 Ist ein Unterbrechen des Stromkreises zu erwarten, wenn dieser mit einer 10 A -
Sicherung abgesichert ist? Begründe deine Antwort!
4.4 Erkläre, weshalb in Haushalten keine Reihenschaltung verwendet wird!
5 Ein Fernsehgerät ist im Jahr 8760 Stunden im Stand-by-Betrieb (Betriebsbereitschaft) bei
einer Leistungsaufnahme von 10 W.
5.1 Berechne die verrichtete elektrische Arbeit!
5.2 Wie hoch sind die dabei entstehen den Kosten, wenn man 0,14 Euro für 1 kWh
bezahlen muss?
Stufe 9
Name: Datum: Klasse:
1 Ein unbekannter Widerstand soll ermittelt werden.
1.1 Zeichne einen Schaltplan dieser Experimentieranordnung!
1.2 Beschreibe die Vorgehensweise!
2 Bei Messungen für zwei elektrische Bauelemente 1 und 2 wurden folgende Werte
ermittelt:
U in V 1 2 4 5 7
I1 in mA 140 285 560 695 980
I2 in mA 175 300 455 515 595
2.1 Trage die Messwerte für Bauelement 1 und 2 in ein I-U-Diagramm ein!
Zeichne die beiden Graphen!
2.2 Für welches der beiden Bauelemente gilt das Ohmsche Gesetz? Begründe!
2.3 Welches der beiden Bauelemente könnte eine Glühlampe sein?
3 Ein Kupferdraht ist 120 m lang.
3.1 Vergleiche seinen Widerstand mit dem Widerstand eines 480 m langen Kupferdrahtes
bei gleichem Querschnitt! Begründe!
3.2 Vergleiche seinen Widerstand mit dem Widerstand eines gleichlangen Kupferdrahtes
mit dreifachem Querschnitt!
4 In einem Haushalt werden gleichzeitig ein Staubsauger (230 V/1100 W) und ein
Heißwasserspeicher (230 V/1.5 kW) in einem gemeinsamen Stromkreis betrieben.
4.1 Zeichne einen Schaltplan, in dem Sie die Geräte als Ohmsche Widerstände darstellen!
4.2 Berechne die Teilstromstärken und die Gesamtstromstärke!
4.3 Ist ein Unterbrechen des Stromkreises zu erwarten, wenn dieser mit einer 10 A -
Sicherung abgesichert ist? Begründe deine Antwort!
4.4 Erkläre, weshalb in Haushalten keine Reihenschaltung verwendet wird!
5 Ein Fernsehgerät ist im Jahr 8760 Stunden im Stand-by-Betrieb (Betriebsbereitschaft) bei
einer Leistungsaufnahme von 10 W.
5.1 Berechne die verrichtete elektrische Arbeit!
5.2 Wie hoch sind die dabei entstehen den Kosten, wenn man 0,14 Euro für 1 kWh
bezahlen muss?
MUSTERLÖSUNG
1 Ein unbekannter Widerstand soll ermittelt werden.
1.1) Ein unbekannter Widerstand kann z.B. mit folgender Schaltung ermittelt werden:
1.2) Dabei ist zu beachten, dass der Strommesser (niederohmig, sonst verliert man an dem
Innenwiderstand zu viel Spannung) in Reihe mit dem Widerstand und der Spannungsmesser
(hochohmig, da sonst viel Strom durch das Messgerät fließen würde) parallel zum Widerstand
geschaltet wird. Man verändert also die Spannung (z.B. in 1Volt-Schritten wie in Aufgabe 2
dargestellt) und misst nun wie sich die Stromstärke ändert. Für den Zusammenhang zwischen
Stromstärke und Spannung gilt: IRU ⋅= Daraus kann dann der Widerstand bestimmt
werden. Dies ist das Ohm’sche Gesetz, was also für einen Ohm’schen Widerstand gilt, der
sich dadurch charakterisiert, dass R für alle aufgenommenen Messwerte konstant ist.
2 Bei Messungen für zwei elektrische Bauelemente 1&2 wurden folgende Werte
ermittelt:
U in V 1 2 4 5 7
I1 in mA 140 285 560 695 980
I2 in mA 175 300 455 515 595
2.1) Das I-U-Diagramm sieht wie folgt aus:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 200 400 600 800 1000 1200
Stromstärke [mA]
Spannung [VOLT]
Reihe1
Reihe2
1 Ein unbekannter Widerstand soll ermittelt werden.
1.1) Ein unbekannter Widerstand kann z.B. mit folgender Schaltung ermittelt werden:
1.2) Dabei ist zu beachten, dass der Strommesser (niederohmig, sonst verliert man an dem
Innenwiderstand zu viel Spannung) in Reihe mit dem Widerstand und der Spannungsmesser
(hochohmig, da sonst viel Strom durch das Messgerät fließen würde) parallel zum Widerstand
geschaltet wird. Man verändert also die Spannung (z.B. in 1Volt-Schritten wie in Aufgabe 2
dargestellt) und misst nun wie sich die Stromstärke ändert. Für den Zusammenhang zwischen
Stromstärke und Spannung gilt: IRU ⋅= Daraus kann dann der Widerstand bestimmt
werden. Dies ist das Ohm’sche Gesetz, was also für einen Ohm’schen Widerstand gilt, der
sich dadurch charakterisiert, dass R für alle aufgenommenen Messwerte konstant ist.
2 Bei Messungen für zwei elektrische Bauelemente 1&2 wurden folgende Werte
ermittelt:
U in V 1 2 4 5 7
I1 in mA 140 285 560 695 980
I2 in mA 175 300 455 515 595
2.1) Das I-U-Diagramm sieht wie folgt aus:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 200 400 600 800 1000 1200
Stromstärke [mA]
Spannung [VOLT]
Reihe1
Reihe2
2.2) Betrachtet man den Graphen so fällt auf, dass der Graph für die erste Reihe linear
verläuft (schwarz). Für den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung
gilt: IRU ⋅= (das Ohm’sche Gesetz) also umgestellt folgt: I
UR = . Für jeden Messwert erhält
man den gleichen Wert für R. Daraus folgt, dass Bauelement 1 dem Ohm’schen Gesetz
gehorcht.
2.3) Folglich muss Bauelemente 2 eine Glühlampe sein. Der Verlauf weist keine Linearität
auf. Dieser Widerstand ändert seine Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur. Hier wird
also deutlich, dass der Ohm’sche Widerstand ein Spezialfall eines Widerstandes ist. Der
Ohm’sche Widerstand ist also unabhängig von Spannung und Stromstärke. Hält man die
Temperatur für einen normalen Widerstand konstant, so ergibt sich näherungsweise eine
Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke.
3 Ein Kupferdraht ist 120m lang.
3.1)Ein Widerstand kann wie folgt berechnet werden: A
lR ⋅= δ Dabei sind l die Länge, A der
Querschnitt und δ der spezifische Widerstand. Vergleicht man zwei Widerstände mit
gleichem Querschnitt, aber 4-facher Länge, so folgt:
4
1
4480
120 =⋅
⋅
=
Al
Al
R
R
m
m
δ
δ
also ist der Widerstand mit 480m Länge um Faktor 4 stärker!
3.2) Vergleicht man zwei Widerstände mit gleicher Länge, aber mit dreifachem Querschnitt,
so folgt:
3
33
=⋅
⋅
=
Al
Al
R
R
A
A
δ
δ
also ist der Widerstand mit dreifachem Querschnitt um Faktor 3 kleiner!
4 In einem Haushalt werden gleichzeitig ein Staubsauger (230 V/1100 W) und ein
Heißwasserspeicher (230 V/1.5 kW) in einem gemeinsamen Stromkreis betrieben.
4.1 Zeichne einen Schaltplan, in dem Sie die Geräte als Ohmsche Widerstände
darstellen!
verläuft (schwarz). Für den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung
gilt: IRU ⋅= (das Ohm’sche Gesetz) also umgestellt folgt: I
UR = . Für jeden Messwert erhält
man den gleichen Wert für R. Daraus folgt, dass Bauelement 1 dem Ohm’schen Gesetz
gehorcht.
2.3) Folglich muss Bauelemente 2 eine Glühlampe sein. Der Verlauf weist keine Linearität
auf. Dieser Widerstand ändert seine Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur. Hier wird
also deutlich, dass der Ohm’sche Widerstand ein Spezialfall eines Widerstandes ist. Der
Ohm’sche Widerstand ist also unabhängig von Spannung und Stromstärke. Hält man die
Temperatur für einen normalen Widerstand konstant, so ergibt sich näherungsweise eine
Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke.
3 Ein Kupferdraht ist 120m lang.
3.1)Ein Widerstand kann wie folgt berechnet werden: A
lR ⋅= δ Dabei sind l die Länge, A der
Querschnitt und δ der spezifische Widerstand. Vergleicht man zwei Widerstände mit
gleichem Querschnitt, aber 4-facher Länge, so folgt:
4
1
4480
120 =⋅
⋅
=
Al
Al
R
R
m
m
δ
δ
also ist der Widerstand mit 480m Länge um Faktor 4 stärker!
3.2) Vergleicht man zwei Widerstände mit gleicher Länge, aber mit dreifachem Querschnitt,
so folgt:
3
33
=⋅
⋅
=
Al
Al
R
R
A
A
δ
δ
also ist der Widerstand mit dreifachem Querschnitt um Faktor 3 kleiner!
4 In einem Haushalt werden gleichzeitig ein Staubsauger (230 V/1100 W) und ein
Heißwasserspeicher (230 V/1.5 kW) in einem gemeinsamen Stromkreis betrieben.
4.1 Zeichne einen Schaltplan, in dem Sie die Geräte als Ohmsche Widerstände
darstellen!
4.2 Berechne die Teilstromstärken und die Gesamtstromstärke!
Die Leistung ist gegeben aus dem Produkt zwischen Stromstärke und Spannung: IUP ⋅= In
einem Parallelkreis gilt: 21 UUU ges == bzw. 21 III ges +=
Somit kann man also die Teilstromstärken berechnen:
VW
V
WI 7826,4230
11001 == und VW
V
WI 5217,6230
15002 ==
Also gilt nach obiger Regel für die Gesamtstromstärke:
VWVWVWIII ges 304,115217,67826,421 =+=+=
4.3)Eine Sicherung kann als Widerstand aufgefasst werden, die ab einer bestimmten
Stromstärke den Stromfluss blockiert. Eine Sicherung soll im Normalfall die Schaltung nicht
weiter beeinflussen, also einen sehr sehr geringen Widerstand haben. In diesem Beispiel
beträgt die Gesamtstromstärke 11,3 W/V und der Stromkreis ist mit einer 10A-Sicherung
abgesichert, folglich wird die Sicherung hier kaputt gehen.
4.4)Im Haushalt verwendet man nur Parallelschaltungen z.B. für die Steckdosen, damit alle
Geräte, die damit verbunden sind auch die gleiche Spannung bekommen. Würde man z.B. die
Steckdosen alle in Reihe schalten und geht eine kaputt, dann ist der gesamte Stromkreis
unterbrochen und man bekäme keinen Strom mehr. Dies kann man vergleichen mit einer
Lichterkette am Tannenbaum, diese Ketten sind in Reihe geschaltet. Ist eine Leuchte davon
defekt, so funktioniert die gesamte Kette nicht mehr, der Stromkreis ist hier unterbrochen.
Nun ist es sehr mühselig die defekte Leuchte ausfindig zu machen um diese zu wechseln.
5 Ein Fernsehgerät ist im Jahr 8760 Stunden im Stand-by-Betrieb
(Betriebsbereitschaft) bei einer Leistungsaufnahme von 10 W.
5.1)Die elektrische Arbeit ist das Produkt aus Leistung und Zeitdauer tPWel ⋅= .Diese kann
für obiges Beispiel leicht berechnet werden:
WhhWtPWel 87600876010 =⋅=⋅=
Der Stand-by-Betrieb verbraucht im Jahr also 87600Wh (Wattstunden) was 87,6kWh
entspricht.
5.2)Berechnet man 0,14 Euro für 1 kWh so folgt aus einem Dreisatz:
1 Kilowattstunde kostet 0,14 Euro
87,6 Kilowattstunden kosten x Euro
EuroEurokWhx 26,1214,06,87 =⋅=
Der Stand-by-Betrieb verbraucht im Jahr also 87,6kWh, was insgesamt 12,26Euro kostet.
Man sollte sich also überlegen, ob es nicht sinnvoller wäre das Gerät nach Benutzung
komplett auszuschalten.
Die Leistung ist gegeben aus dem Produkt zwischen Stromstärke und Spannung: IUP ⋅= In
einem Parallelkreis gilt: 21 UUU ges == bzw. 21 III ges +=
Somit kann man also die Teilstromstärken berechnen:
VW
V
WI 7826,4230
11001 == und VW
V
WI 5217,6230
15002 ==
Also gilt nach obiger Regel für die Gesamtstromstärke:
VWVWVWIII ges 304,115217,67826,421 =+=+=
4.3)Eine Sicherung kann als Widerstand aufgefasst werden, die ab einer bestimmten
Stromstärke den Stromfluss blockiert. Eine Sicherung soll im Normalfall die Schaltung nicht
weiter beeinflussen, also einen sehr sehr geringen Widerstand haben. In diesem Beispiel
beträgt die Gesamtstromstärke 11,3 W/V und der Stromkreis ist mit einer 10A-Sicherung
abgesichert, folglich wird die Sicherung hier kaputt gehen.
4.4)Im Haushalt verwendet man nur Parallelschaltungen z.B. für die Steckdosen, damit alle
Geräte, die damit verbunden sind auch die gleiche Spannung bekommen. Würde man z.B. die
Steckdosen alle in Reihe schalten und geht eine kaputt, dann ist der gesamte Stromkreis
unterbrochen und man bekäme keinen Strom mehr. Dies kann man vergleichen mit einer
Lichterkette am Tannenbaum, diese Ketten sind in Reihe geschaltet. Ist eine Leuchte davon
defekt, so funktioniert die gesamte Kette nicht mehr, der Stromkreis ist hier unterbrochen.
Nun ist es sehr mühselig die defekte Leuchte ausfindig zu machen um diese zu wechseln.
5 Ein Fernsehgerät ist im Jahr 8760 Stunden im Stand-by-Betrieb
(Betriebsbereitschaft) bei einer Leistungsaufnahme von 10 W.
5.1)Die elektrische Arbeit ist das Produkt aus Leistung und Zeitdauer tPWel ⋅= .Diese kann
für obiges Beispiel leicht berechnet werden:
WhhWtPWel 87600876010 =⋅=⋅=
Der Stand-by-Betrieb verbraucht im Jahr also 87600Wh (Wattstunden) was 87,6kWh
entspricht.
5.2)Berechnet man 0,14 Euro für 1 kWh so folgt aus einem Dreisatz:
1 Kilowattstunde kostet 0,14 Euro
87,6 Kilowattstunden kosten x Euro
EuroEurokWhx 26,1214,06,87 =⋅=
Der Stand-by-Betrieb verbraucht im Jahr also 87,6kWh, was insgesamt 12,26Euro kostet.
Man sollte sich also überlegen, ob es nicht sinnvoller wäre das Gerät nach Benutzung
komplett auszuschalten.
