Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1994/95

Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen von Dirk Hein, Freital, und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösungen. Wir freuen uns über jeden Hinweis zur Verbesserung dieser Musterlösungen. Bitte senden Sie uns eine Email, Betreff: Prüfung 1995


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Lösung Aufgabe 1: Schwingungen und Wellen

Zur Aufgabenstellung

1.1    Das erste Pendel vollführt nahezu ungedämpfte Schwingungen, während das zweite Pendel sehr schnell abgebremst wird und zur Ruhe kommt.

1.2    Beim ersten Pendel wird die mechanische Energie nur sehr langsam durch auftretende Reibung in thermische Energie umgewandelt. Das zweite Pendel dagegen erfährt eine starke Wechselwirkung mit der Umgebung (Reibung). Deshalb wird die mechanische Energie, die das Pendel besitzt, in kurzer Zeit aufgrund der Reibung in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Somit steht sie dem Pendel für den Schwingungsvorgang nicht mehr zur Verfügung.

1.3     Beim Echolotverfahren wird die Reflexion mechanischer Wellen angewendet.

1. 4    geg.:   vs = 1400 m/s
            t = 0,7 s (Zeit für den Hin- und Rückweg)

ges.: s im m

Lösung:



Die Meerestiefe beträgt 490 m.


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Lösung Aufgabe 2: Elektrizitätslehre

Zur Aufgabenstellung

2.1 Schaltplan:
Schaltplan

2.2  Am Vorwiderstand muss eine Spannung von 8,5 V anliegen.
Da in einem unverzweigten Stromkreis die Gesamtspannung gleich der Summe aller Teilspannungen ist, ergibt sich für die Ermittlung der Spannung am Vorwiderstand UV = 12V - 3,5V = 8,5V.

2.3  geg.: UV = 8,5V
I = 200 mA = 0,2 A

ges.: RV in W

Lösung:
wpe2.jpg (2726 Byte)

Der Vorwiderstand hat einen elektrischen Widerstand von 42,5 W.

2.4  Es muss der technische Widerstand 47 W gewählt werden, da seine Größe dem berechneten Wert am nächsten kommt bzw. etwas größer ist, um ein "Durchbrennen" der Lampe zu vermeiden.

2. 5  geg.: UL = 3,5V
                  I = 200 mA = 0,2 A

ges.: Pel in W

Lösung:

wpe3.jpg (2488 Byte)

Die elektrische Leistung der Glühlampe beträgt 0,7 W.


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Lösung Aufgabe 3: Thermodynamik

Zur Aufgabenstellung

3. 1    geg.: m = 800 kg


ges.: Q in kJ

Lösung:



Die erforderliche Wärme beträgt 221232 kJ.

3. 2 Es gibt u.a. folgende Möglichkeiten, um im Haushalt Wärmeverluste gering zu halten:


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Lösung Aufgabe 4 Energie

Zur Aufgabenstellung

4. 1  Im Dampferzeuger wird durch das Verbrennen der Kohle heißer Wasserdampf erzeugt. Aus chemischer Energie der Kohle wird thermische (und kinetische) Energie des Wasserdampfes.
Der Dampf wird unter hohem Druck in die Dampfturbine geleitet und treibt diese an. Da Turbinen- und Generatorwelle fest miteinander verbunden sind, dreht sich auch der Rotor im Generator. Die thermische Energie des Dampfes wird in kinetische Energie der Turbine bzw. des Generators umgewandelt und die kinetische Energie des Dampfes auf die Turbine bzw. den Generator übertragen.
Durch das Drehen des Rotors im Generator tritt Induktion auf und an den Enden des Rotors wird eine Wechselspannung erzeugt. Es wird also kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Der Generator liefert Spannungen von etwa 20 kV, die mit Hilfe des Transformators noch einmal bis 380 kV erhöht werden, um geringere Stromstärken und damit weniger Wärmeverluste in den Fernleitungen zu erreichen.

4. 2  Diese Aussage bedeutet, dass nur 42% der bei der Verbrennung der Kohle frei werdenden Energie in elektrische Energie umgewandelt werden und damit nutzbar sind. 58% der aufgenommenen chemischen Energie wird unerwünscht in andere Energieformen (z. B. thermische Energie) umgewandelt bzw. Bei Kraftwerken mit Wärme-Kraft-Kopplung als Abwärme (z. B. Fernwärme) für Heizzwecke verwendet.

4. 3  Gültigkeitsbedingungen für den Energieerhaltungssatz der Mechanik:
Das System muss abgeschlossen sein (keine Wechselwirkung mit der Umwelt).
Es wird keine mechanische Energie in andere Energieformen (insbesondere in thermische Energie durch Reibung) umgewandelt.


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Lösung Wahlaufgabe 5 Elektrizitätslehre

Zur Aufgabenstellung

5. 1       Voraussetzungen für den elektrischen Stromfluss sind:

5. 2. 1     a) Der elektrische Widerstand wird kleiner.
b)     Die Stromstärke wird größer.

Begründung: Bei höherer Temperatur schwingen einerseits die Atome und Ionen des Halbleiters stärker um ihre Ruhelage und behindern so die Bewegung der freien Elektronen. Andererseits können sich mehr Außenelektronen aus ihren Bindungen lösen. Somit stehen sehr viele frei bewegliche Ladungsträger und Defektelektronen für den elektrischen Leitungsvorgang zur Verfügung. Dieser Vorgang überwiegt.

5. 2. 2     Ein Halbleiterwiderstand kann als temperaturabhängiger Messfühler, als lichtabhängiger Fotowiderstand oder als elektronischer Schalter (z. B. für Brandmelder, Belichtungsmesser, usw.) genutzt werden.

 

5. 3. 1     Bedingungen für die elektromagnetische Induktion:

      Das heißt: Die Stärke des von der Induktionsspule umschlossenen Magnetfeldes muss sich ändern.

5. 3. 2     Aufbau des Transformators:
trafo.jpg (23646 Byte)

Quelle: Physik 9/10 Sachsen; Paetec Verlag 1998

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die sich auf einem geschlossenen Eisenkern befinden. Die Spulen sind nicht elektrisch miteinander verbunden.

5. 3. 3      Wirkungsweise des Transformators:
An die Primärspule wird eine elektrische Wechselspannung angelegt, die in der Spule ein ständig wechselndes Magnetfeld erzeugt. Über den geschlossenen Eisenkern wird das magnetische Wechselfeld auf die Sekundärspule übertragen. Damit umfasst die Sekundärspule ein sich ständig änderndes Magnetfeld, so dass in der Sekundärspule (nach dem Induktionsgesetz) eine Wechselspannung induziert wird.

5. 3. 4     geg.: N1 = 1000
N2 = 125
U1 = 48 V

ges.: U2 in V

Lösung:

Es gilt die Spannungsübersetzung für den unbelasteten Transformator:

wpeB.jpg (1405 Byte)
wpeC.jpg (2974 Byte)

Es kann eine Sekundärspannung von 6 V abgegriffen werden.

 

5. 4        Vorbereitung:

Schaltplan:
wpeD.jpg (4254 Byte)

    Messwerttabelle:

Lfd. Nr.

Stromart

U in V

I in A

R in W

1

Gleichstrom

     

2

Wechselstrom

     

Durchführung:

Lfd. Nr.

Stromart

U in V

I in A

R in W

1

Gleichstrom

6,0

0,42

14,3

2

Wechselstrom

6,0

0,014

428,6

Auswertung:

  1. Berechnen des elektrischen Widerstandes der Spule (siehe Tabelle):
    wpeF.jpg (976 Byte)

  2. Vergleich der beiden Widerstände:
    Der elektrische Widerstand der Spule ist im Gleichstromkreis kleiner als der Widerstand beim Verwenden einer Wechselspannung.

    Begründung: Beim Anlegen einer Wechselspannung tritt in der Spule Selbstinduktion auf. Es gilt das Induktionsgesetz: In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegen wirkt (Lenzsche Regel). Daher wird der Stromfluss behindert, d.h. bei gleicher Spannung muss der Widerstand größer sein.


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Lösung Wahlaufgabe 6: Optik

Zur Aufgabenstellung

6. 1. 1 Skizzieren des weiteren Strahlenverlaufs:
wpe10.jpg (28127 Byte)

6. 1. 2 siehe Skizze (6. 1. 1)

6. 1. 3 Der einfallende und der aus dem Winkelspiegel austretende Strahl liegen zueinander parallel.

 

6. 2. 1 geg.: a1 = 40
                c1 = 300000
3b5aa7a9.jpg (489 Byte) (Lichtgeschwindigkeit in Luft)
                c2 = 1890003b5aa7a9.jpg (489 Byte) (Lichtgeschwindigkeit in Polystyrol)

ges.:
        b1

Lösung:
Anwendung des Brechungsgesetzes:
wpe11.jpg (1654 Byte)
wpe12.jpg (5332 Byte)

Der Brechungswinkel beträgt 23,9.

6. 2. 2 Zeichnen des vollständigen Strahlenverlaufs:
wpe14.jpg (31910 Byte)

6. 2. 3 Der Einfallswinkel a1 muss 0 betragen, d.h. der Lichtstrahl muss senkrecht auf die Oberfläche der Platte treffen, damit das Licht nicht gebrochen wird.

6. 3. 1 Konstruktion des Bildes vom Gegenstand:
wpe15.jpg (88419 Byte)
(Maßstab auf dem Millimeterpapier: 1:1)

6. 3. 2 Das Bild ist genau 5,25 cm von der Linse entfernt.

6. 3. 3 Das Bild ist kleiner als der Gegenstand. Diese Art der Bildentstehung wird zum Beispiel beim Fotoapparat oder beim menschlichen Auge genutzt.

 

6. 4. 1 Im Kasten können sich befinden:
- ein ebener Spiegel
- eine Zerstreuungslinse
- ein Prisma

6. 4. 2 Zeichnen eines möglichen Strahlenverlaufs bei Verwendung eines Spiegels:
wpe16.jpg (60925 Byte)


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Lösung Wahlaufgabe 7: Mechanik

Zur Aufgabenstellung

7. 1. 1    geg.: a = 2,1 m/s²
          t = 6 s

ges.: v in km/h

Lösung:
wpe1A.jpg (3083 Byte)

Die Höchstgeschwindigkeit des PKW beträgt 45,36 km/h.

7. 1. 2     geg.: a = 2,1 m/s²
          t = 6 s

ges.: s1 in m

Lösung:
wpe1B.jpg (3229 Byte)

Der PKW legt während der Beschleunigung einen Weg von 37,8 m zurück.

7. 1. 3     geg.: v = 12,6 m/s
         t = 5 s

ges.: s2 in m

Lösung:
wpe1C.jpg (2413 Byte)

Das Auto legt einen Weg von 63,0 m mit konstanter Geschwindigkeit zurück.

7. 1. 4     geg.: a = 4,2 m/s²
         v = 12,6 m/s

ges.: s3 in m

Lösung:
wpe1D.jpg (1132 Byte) und wpe1E.jpg (958 Byte)   Einsetzungsverfahren:wpe21.jpg (1583 Byte)
wpe22.jpg (3372 Byte)

Der Bremsweg beträgt 18,9 m.

7. 1. 5     geg.: s1 = 37,8m
         s2 = 63,0m
         s3 = 18,9m

ges.: s in m

Lösung:
wpe23.jpg (3095 Byte)

Die Entfernung zwischen den Ampeln beträgt 119,7 m.

 

7.2.1      Weg-Zeit-Diagramm:

7. 2. 2    Ablesen aus dem Diagramm:
Nach 2,5 s hat der Körper einen Weg von 4,8 m zurückgelegt.

7. 2. 3    Es liegt eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung vor.

7. 3        Jeder Körper setzt aufgrund seiner Masse einer Bewegungsänderung einen Widerstand entgegen (Trägheitsgesetz). Vor dem Anfahren befindet sich der Fahrgast zunächst in Ruhe. Setzt sich der Bus in Bewegung, versucht der Oberkörper, in Ruhe zu verharren. Die Füße bewegen sich aber mit dem Bus nach vorn, weil sie mit dem Boden verbunden sind. Vor dem Bremsen befindet sich der Fahrgast in Bewegung. Diesen Zustand versucht er auch beim Bremsen beizubehalten. Seine Füße aber werden mit dem Bus abgebremst, und der Oberkörper bewegt sich weiter nach vorn.

7.4         geg.: h = 10 m
g = 9,81 m/s²
(Der Sprung vom 10-m-Turm kann als freier Fall aufgefasst werden)

ges.: v in km/h

Lösung:
und  ergibt unter Nutzung des Einsetzungsvergahrens:  und somit:


Die Geschwindigkeit des Wasserspringers beim Eintauchen beträgt 50,4 km/h.

7.5         Die Rakete muss eine Schubkraft aufbringen, die mindestens so groß ist wie deren Gewichtskraft (Wechselwirkungsgesetz). Deshalb berechnet man die Gewichtskraft der Rakete.

geg.: m = 100 t = 100000 kg
          g = 9,81 m/s²

ges.: F in N

Lösung:


Die Rakete muss mindestens eine Schubkraft von 981 kN haben, damit sie vom Erdboden abheben kann.


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Zur Übersicht über die Abschlussprüfungen und deren Lösungen

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