t = 0,7 s (Zeit für den Hin- und Rückweg)
ges.: s im m
Lösung:
Die Meerestiefe beträgt 490 m.
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
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
2.1 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:
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:
Die elektrische Leistung der Glühlampe beträgt 0,7 W.
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Lösung Aufgabe 3: Thermodynamik
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:
- Verwendung von Dämmmaterialien (Styropor, Glaswolle), also Baumaterialien mit geringem Wärmeleitvermögen
- Außenwände mit Wärmedämmputz versehen
- gut abgedichtete Fenster mit Wärmeschutz-Isolierglas
- Fenster mit Doppelverglasung und "Vakuum" zwischen den Scheiben
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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
5. 1 Voraussetzungen für den elektrischen Stromfluss sind:
- Das Vorhandensein frei beweglicher elektrische Ladungsträger und
- Die Existenz eines elektrischen Feldes bzw. einer Spannungsquelle
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:
- Die Induktionsspule wird im Magnetfeld eines Dauermagneten oder einer anderen stromdurchflossenen Spule bewegt.
- Ein Dauermagnet oder eine stromdurchflossene Spule werden in der Umgebung einer feststehenden Induktionsspule bewegt.
- Die Stärke des Magnetfeldes der Spule, die sich in der Nähe der Induktionsspule befindet, wird geändert, zum Beispiel durch Ein- und Ausschalten des Spulenstroms oder Ändern der Stromstärke.
Das heißt: Die Stärke des von der Induktionsspule umschlossenen Magnetfeldes muss sich ändern.
5. 3. 2
Aufbau des Transformators:
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:
Es kann eine Sekundärspannung von 6 V abgegriffen werden.
5. 4
Vorbereitung:
Schaltplan:
Messwerttabelle:
| Lfd. Nr. | Stromart |
U in V |
I in A |
R in W |
1 |
Gleichstrom |
|||
2 |
Wechselstrom |
Durchführung:
- Aufbau der Schaltung und Kontrolle durch den Lehrer
- Messen der Spannung und Stromstärke bei Verwendung von Gleich- und Wechselspannung (U = 6 V)
- Notieren der Messwerte:
| 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:
Berechnen des elektrischen Widerstandes
der Spule (siehe Tabelle):
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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6. 1. 1 Skizzieren des weiteren
Strahlenverlaufs:
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
(Lichtgeschwindigkeit in Luft)
c2 = 189000
(Lichtgeschwindigkeit in Polystyrol)
ges.: b1
Lösung:
Anwendung des Brechungsgesetzes:
Der Brechungswinkel beträgt 23,9°.
6. 2. 2 Zeichnen des
vollständigen Strahlenverlaufs:
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:
(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:
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Lösung Wahlaufgabe 7: Mechanik
7. 1. 1 geg.: a = 2,1
m/s²
t =
6 s
ges.: v in km/h
Lösung:
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:
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:
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:
und 
Einsetzungsverfahren:
Der Bremsweg beträgt 18,9 m.
7. 1. 5
geg.: s1 = 37,8m
s2 = 63,0m
s3 = 18,9m
ges.: s in m
Lösung:
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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