Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1998/99


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Lösung Aufgabe 1 Mechanik
(Bitte beachten Sie den Hinweis am Ende der Seite)

Zur Aufgabenstellung

1.1   Der Wagen mit dem darauf befindlichen Körper fahrt mit steigender Geschwindigkeit die geneigte Ebene herunter, der Körper bleibt dabei auf dem Wagen stehen. Am Ende der geneigten Ebene stößt der Wagen an ein Hindernis. Der Wagen bleibt stehen, der Körper auf dem Wagen rutscht jedoch in Fahrtrichtung herunter.

1.2   Bei diesem Vorgang wirkt das Trägheitsgesetz:
Ein Körper ändert seinen Bewegungszustand nur dann, wenn eine Kraft auf ihn einwirkt.
Die abbremsende Kraft wirkt auf den Wagen, auf den Körper wegen der relativ geringen Haftreibungskraft jedoch nur in geringem Maße. Daher behält der Körper seinen Bewegungszustand bei ("fährt" weiter) und rutscht beim plötzlichen Anhalten des Wagens somit herunter.

1.3   Um Personen bei frontalen Auffahrunfällen zu schützen, müssen diese in Fahrzeugen angeschnallt werden. Sonst könnten sich diese im Moment des Aufpralls ungewollt schnell nach vorn bewegen und somit schwer verletzt werden.


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Lösung Aufgabe 2 Mechanische Schwingungen und Wellen

Zur Aufgabenstellung

2.1   Die Schallwelle breitet sich allseitig und mit gleich bleibender Geschwindigkeit aus.
(Weitere mögliche Antworten: Schallwellen werden an Hindernissen reflektiert, an Kanten gebeugt und beim Übergang zwischen Medien mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit gebrochen.)

2.2   ges.: T
geg.: f = 440 Hz

Lösung:    T = 1 / f
                  T = 1 / 440 Hz
                  T = 1 / 440 s-1
                  T = 0,00227 s

Die Periodendauer beträgt 0,0027 s.

2.3   Beispiel: Schallausbreitung des Motorgeräusches in Autos
Um die Ausbreitung dieses Schalls zu verringern, werden in den Kühlerhauben Dämpfungsmatten eingebaut. Diese Matten haben eine unregelmäßige Oberfläche sowie einen unregelmäßigen Aufbau, der viel Luft enthält.
Der Schall wird somit an der Oberfläche der Matten in viele Richtungen reflektiert sowie in großem Umfang absorbiert. Somit wird die Ausbreitung des Schalls stark vermindert.


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Lösung Aufgabe 3 Thermodynamik

Zur Aufgabenstellung

3.1

3.2 Im Zeitraum 0 min t 4 min wird das Eis geschmolzen. In diesem Zeitraum wird die zugeführte Wärme dazu benutzt, die starre Anordnung der Teilchen des Eises aufzulösen, man nennt die dafür nötige Wärme auch Schmelzwärme.
Im Zeitraum 6 min
t 9 min wird die zugeführte Wärme zum Erwärmen des Wassers genutzt.


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Lösung Aufgabe 4 Induktion

Zur Aufgabenstellung

4.1.1

 wpe2.jpg (5138 Byte)

Animation: Gregor Schulze

Der Dauermagnet wird in den Spulenkern eingeführt und wieder heraus gezogen. Am Spannungsmesser ist eine Induktionsspannung zu erkennen.

4.1.2 a) Schnellere Bewegung des Dauermagneten
b) Verwendung einer höheren Windungszahl der Spule

(Weitere mögliche Antworten wären:
- Verwendung eines stärkeren Dauermagneten
- Verwendung einer Spule mit größerer Querschnittsfläche
- Verwendung eines Eisenkerns)

4.2      ges.: N2
geg.: N1 = 4600
U1 = 230 V
U2 = 8 V

Lösung:


N2 = 160

Die geeignete Windungszahl beträgt 160 Windungen.


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Lösung Aufgabe 5 Elektrizitätslehre

Zur Aufgabenstellung

5.1 Schülerexperiment

Vorbereitung:

Schaltplan:

Messwerttabelle:

U in V 0 0,24 1,43 2,71 4,23
I in mA 0 23,1 46,1 64,5 81,0

I-U-Diagramm

Für das gegebene Bauelement gilt das Ohmsche Gesetz nicht, da die Spannung U nicht proportional zur Stromstärke I ist.

Bei dem verwendeten Bauelement handelt es sich um eine Glühlampe.


5.2.1 ges.: R
geg.: l = 240 m
         A = 0,4 mm²
          rKupfer = 0,0172


Lösung:

R = 10,32 W

Der Widerstand beträgt 10,32 Ohm.

5.2.2 Wenn die Querschnittsfläche nur halb so groß ist, wird der Widerstand doppelt so groß ist, weil der Widerstand umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche ist.

5.2.3 Wenn ein Eisendraht erwärmt wird, so erhöht sich der Widerstand des Drahtes.
Je höher die Temperatur wird, desto schneller ist auch
die Bewegung der Atome im Metallgitter des Eisens. Die sich gerichtet zwischen diesen Atomen bewegenden Elektronen stoßen daher häufiger an die Gitterbausteine an, der Widerstand erhöht sich also.


5.3.1 Wird die Glühlampe ohne Vorwiderstand betrieben, so wird diese wegen der Überspannung „durchbrennen", das heißt der Glühdraht schmilzt wegen der zu hohen Spannung. Am Vorwiderstand fällt ein Teil der Gesamtspannung ab (im unverzweigten Stromkreis ist die Gesamtspannung gleich der Summe aller Teilspannungen), so dass an der Glühlampe nur die für sie vorgesehene Spannung anliegt.

5.3.2 ges.: RV
geg.: UL = 3 V
IL = 0,1 A
Uges = 12 V


Lösung:
UV = Uges - UL
UV = 12 V - 3 V
UV = 9 V

IV = IL = 0,1 A


Der Vorwiderstand beträgt 90 Ohm.


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Lösung Aufgabe 6 Mechanik

Zur Aufgabenstellung

6.1.1

6.1.2 Abschnitt I: gleichmäßig beschleunigte Bewegung, da v ~ t
Abschnitt II: gleichförmige Bewegung, da v = konstant
Abschnitt III: gleichmäßig beschleunigte (verzögerte) Bewegung, da v ~ t
Abschnitt IV: gleichförmige Bewegung, da v = konstant

6.1.3 ges.: a
geg.: v = 54 km/h = 15 m/s
t = 150 s

Lösung:


Die Beschleunigung beträgt 0,1 m/s².

6.1.4  Die Beschleunigung beträgt 0, da sich die Geschwindigkeit im Abschnitt II nicht ändert.

6.1.5 ges.: s
geg.: t = 90 s
         v = 54 km/h = 15 m/s

Lösung:

s = v t
s = 15 m/s 90 s
s = 1350 m

Das Schienenfahrzeug legt im Abschnitt II einen Weg von 1350 m zurück.

6.1.6 ges.: F
geg.: m = 60 t = 60000 kg
           a = 0,25 m/s²

Lösung:

F = m a
F = 60000 kg 0,25 m/s²
F = 15000 N
F = 15 kN

Es ist eine Bremskraft von 15 kN notwendig.

 

6.2.1 ymax = 1,5 cm

6.2.2 TII < TI

6.2.3 ges.: f
geg.: TII = 0,4 s

Lösung:


Die Frequenz der Schwingung II beträgt 2,5 Hz.

6.2.4 Schwingung II ist eine gedämpfte Schwingung, da die Amplitude abnimmt.

6.2.5 Epot Ekin
Ekin
Etherm.

6.2.6 Ungedämpfte mechanische Schwingung: Uhrenpendel
Gedämpfte mechanische Schwingung: Stoßdämpfer


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Lösung Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch

Zur Aufgabenstellung

7.1.1

1 Gehäuse (mit Kühlwasser)
2 Kolben
3 Einlassventil
4 Zündkerze
5 Auslassventil
6 Pleuelstange

7.1.2 Echem Etherm Ekin
Ekin
Etherm (Reibung)

7.1.3 Dies bedeutet, dass nur 25% der aufgewendeten chemischen Energie als nutzbare kinetische Energie nach Umwandlung im Motor zur Verfügung stehen, der Rest der chemischen Energie wird als thermische Energie an die Umwelt abgegeben.

7.1.4 Ein Grund dafür liegt in der wesentlich geringeren Reichweite der Fahrzeuge, da sich die zum Fahren benötigte elektrische Energie  in den zur Zeit verwendeten Batterien  nur schlecht speichern lässt und große Batterien daher ein sehr großes Gewicht haben.

7.1.5 Wasser ist ein sehr gutes Kühlmittel, weil es billig, ungefährlich und damit einfach zu handhaben ist sowie auf Grund seiner großen Wärmekapazität sehr viel Wärme vom Motor abführen kann.

7.2.1 ges.: K (monatliche Kosten)
geg.: Preis Pr = 0,25 DM/kWh
          P = 2000 W = 2 kW
          t = 0,5 h/Tag = 0,5 h/d

Lösung:

K = P t 30d Pr
K = 2 kW 0,5 h/d 30 d 0,25 DM/kWh
K = 7,50 DM

Die monatlichen Kosten betragen 7,50 DM.

7.2.2 Ein elektrisches Gerät, das elektrische Energie in thermische Energie umwandelt, ist das Bügeleisen.

7.2.3 Energiesparlampen können zur Energieeinsparung im Haushalt beitragen.

7.3.1 Eth = 5 6 h 1000 kJ/h
          Eth = 30000 kJ
Fünf Sonnenkollektoren können in 6 Stunden 30000 kJ thermische Energie an das Wasser abgeben.

7.3.2 ges.: Q
geg.: V = 200 l
m = 200 kg
          DJ = 30 K
          c =

Lösung: Q = m c
DJ
               Q = 200 kg 4,1868 30 K
               Q =
25120,8 kJ

Mit der Energie können 200 l Wasser von 20C auf 50C erwärmt werden.

7.3.3 Sonnenkollektoren nutzen erneuerbare Energiequellen und sind daher umweltfreundlich, da sie z.B. bei der Erwärmung des Wassers keine Abgase erzeugen.

7.4.1 Die Eigenschaft, dass Wasser mechanische Arbeit verrichten kann, wurde früher bei Wassermühlen genutzt. Dabei floss Wasser aus einem Bach auf das Wasserrad der Mühle und versetzte dieses in Drehungen. Im Innern der Mühle konnte dadurch Getreide zu Mehl gemahlen werden.

7.4.2 Die Energie der Flüsse bei Hochwasser nimmt zu, weil

  1. die Flüsse eine höhere potentielle Energie auf Grund der größeren Wassermenge und damit der Masse des Wassers haben;
  2. auf Grund der höheren Fließgeschwindigkeit der Flüsse die Flüsse eine höhere kinetische Energie besitzen, da die kinetische Energie zum Quadrat der Fließgeschwindigkeit direkt proportional ist.

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Hinweis: Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen des jeweiligen Autors und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösung.

Herzlichen Dank an meine Kollegin Ines Stiller, die diese Lösungen kritisch begutachtete.

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