Teilaufgabe 1.1 (7 BE) Weisen Sie anhand eines geeigneten Kräfteplans nach, dass das Federpendel harmonisch schwingt. Gleichgewichtslage: F G

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1 mathphy-online Abchluprüfung Berufliche Oberchule Phyik echnik - Aufgabe III - Löung eilaufgabe. Am unteren Ene einer vertikal aufgehängten Feer mit er Feerkontanten D wir ein Körper befetigt, een Mae m o groß it, a ie Mae er Feer vernachläigt weren kann. Der Körper un ie Schraubenfeer bilen zuammen ein Feer-Schwere- Penel. Durch ie Gewichtkraft F G e Penelkörper wir ie Feer um Δy vorgeehnt (iehe ie in er Skizze eingezeichnete Vorehnung Δy). Wir a Penel in vertikaler Richtung augelenkt un ann logelaen, o chwingt er Penelkörper läng einer vertikalen Ache auf un ab. Für ie bei er Schwingung auftretenen Dehnungen er Feer gilt a Hookeche Geetz. Dämpfungverlute in vernachläigbar klein. eilaufgabe. (7 BE) Weien Sie anhan eine geeigneten Kräfteplan nach, a a Feerpenel harmonich chwingt. Gleichgewichtlage: F G F F mg DΔy Rücktreibene Kraft: F rück F F F G D Δy y F rück DΔy Dy DΔy mg F rück Dy F rück un y haben entgegengeetzte Vorzeichen: F rück Dy lineare Kraftgeetz, alo harmoniche Schwingung. AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite von 8

2 mathphy-online eilaufgabe.. Der Penelkörper hat ie Mae m g. Da Feerpenel wir zu einer freien Schwingung mit er Amplitue y 5.cm angeregt. Die Abhängigkeit er Elongation von er Zeit wir für t urch ie folgene Gleichung bechrieben: yt () 5.cmco.5π t eilaufgabe.. (4 BE) Berechnen Sie ie Feerkontante D. m FS: π 4 π D D 4π m D ω m m ω.5π D.5π.kg D 7.4 N m eilaufgabe.. (3 BE) Die kinetiche Energie E kin e Penelkörper änert ich währen er Schwingung tänig. Ermitteln Sie eine Gleichung mit eingeetzten Werten, ie für t ie Abhängigkeit er kinetichen Energie E kin von er Zeit t bechreibt. E kin m ( vt ()) vt () t yt () 5.cmco.5π t.5m t vt ().393 m in.5 π t E kin () t.5π in.5π t m v in.5π t E kin () t Jin.5π t Graphiche Dartellung in er Prüfung nicht verlangt. Elongation y in m Gechwinigkeit v in m/ Zeit t in Elongation y in m Gechwinigkeit v in m/ AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite von 8

3 mathphy-online eilaufgabe..3 (4 BE) Im oberen Umkehrpunkt er Schwingung erfährt er Penelkörper ie Bechleunigung a mit em Betrag a. Berechnen Sie a un geben Sie ie Richtung von a an. at () t y ω in( ω t) y ω co( ω t) at ().5m.5π co( ω t) Amplitue: a.5m.5π a 3. m Richtung a enkrecht nach unten eilaufgabe..4 (4 BE) Nennen Sie ie rei mechanichen Energieformen, ie bei er Schwingung e Feerpenel eine Rolle pielen, un erläutern Sie ie Energieumwanlungen, ie bei er Bewegung e Penelkörper vom oberen Umkehrpunkt bi zum unteren Umkehrpunkt tattfinen. Energie im oberen Umkehrpunkt: E poto m gy E poto.8 J E panno D Δy y E panno.44 J E kino E kino E geo E poto E panno E kino E geo.6 J Energie in er Gleichgewichtlage: E pot wir umgewanelt in E kin un E pann E potg m gy E potg.59 J E panng D ( Δy ) E panng.94 J E king m v E king.97 J E geg E potg E panng E king E geg.6 J E pot un E kin weren umgewanelt in E pann AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 3 von 8

4 mathphy-online Energie im unteren Umkehrpunkt: E potu E potu E pannu D Δy y E pannu.6 J E kinu E kinu E geu E potu E pannu E kinu E geu.6 J Graphiche Dartellung in er Prüfung nicht verlangt Energieiagramm E ge 4 Energien in mj Spannenergie Lageenergie Bewegungenergie Zeit t in AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 4 von 8

5 mathphy-online eilaufgabe.(4 BE) Ein Plattenkonenator mit em Plattenabtan.8 cm, er Plattenfläche A 75 cm un mit Luft al Dielektrikum ( ε r.) wir mit einem ohmchen Wiertan R.5 MΩ in Reihe gechaltet. Diee Reihenchaltung wir zum Zeitpunkt t an eine Gleichpannungquelle mit er Spannung U. kv angechloen. Ab em Zeitpunkt t wächt ie am Konenator abfallene Spannung U C mit er Zeit t an. Die Abhängigkeit er Sapnnung U C von er Zeit t it im unten tehenen t-u C -Diagramm argetellt t-uc-diagramm Spannung Uc in kv Zeit t in μ eilaufgabe.. Die Stärke J e Laetrom nimmt mit er Zeit exponentiell ab. eilaufgabe.. (5 BE) Berechnen Sie en Anfangwert J ( ) er Stromtärke J un ermitteln Sie mithilfe e t-u C -Diagramm ie Stromtärke J75μ ( ). [ eilergebni: J75μ ( ).33 ma ] J ( ) U. 3 V J R J J.5 6 V.33 3 A A Für ie Spannungabfälle bei er Reihenchaltung gilt: U U C U R Spannungabfall am ohmchen Wiertan: U R U U C Ableen au em Diagramm: U C U C kV AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 5 von 8

6 mathphy-online eingeetzt: U R.kV.5kV.5kV U R.5 3 V Stromtärke: J J R J.5 6 V A A eilaufgabe.. (3 BE) Skizzieren Sie a t-j-diagramm für t 4 μ. Verwenen Sie abei ie Ergebnie von t-uc-diagramm Laung Q Graph er Stromtärke Stromtärke für t µ Stromtärke für t 75 µ Spannung Uc in kv Zeit t in μ eilaufgabe.. Der Laevorgang it beenet. Der Konenator trägt nun ie Laung Q. Zwichen en Platten e Konenator herrcht ein homogene elektriche Fel, in em ie Energie W gepeichert it. eilaufgabe.. (5 BE) Berechnen Sie Q un W. Kennzeichnen Sie ie Laung Q im Diagramm von eilaufgabe... Q ε A C Q U C U Q U Q C W C U W 3.7 F. 3 V W J AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 6 von 8

7 mathphy-online eilaufgabe.. (6 BE) E oll experimentell betätigt weren, a a elektriche Fel zwichen en gelaenen Konenatorplatten homogen it. Bechreiben Sie afür einen geeigneten Veruch. Veruchanornung Veruchbechreibung In einem Glagefäß mit Leitungwaer befinen ich zwei Elektroen. Eine Elektroe it mit em poitiven Pol einer Gleichpannungquelle verbunen, ie anere it geeret. Mit einer Meelektroe, ie mit einem tatichen Voltmeter verbunen it, wir a Potential φ zwichen en beien tabförmigen Elektroen augemeen. Veruchergebni Bewegt man ie Meelektroe im elektrichen Fel parallel zu en Konenatorplatten, o zeigt a tatiche Voltmeter ein kontante Potential an. Die Spitze er Metallone bewegt ich auf einer Äquipotentiallinie. Bewegt man ie Meelektroe im elektrichen Fel enkrecht zu en Konenatorplatten, o nimmt a Potential linear mit em Abtan von er negativ gelaenen (geereten) Platte zu. E gilt: Δφ E it kontant Δ eilaufgabe.3. Der Konenator it auf ie Spannung U.kV aufgelaen un wir nun von er Spannungquelle getrennt. Dann wir er Plattenabtan variiert. eilaufgabe.3. (5 BE) Unteruchen Sie urch allgemeine Rechnung, ob un gegebenenfall wie ie Kapazität C e Konenator, ie Spannung U C zwichen en Konenatorplatten un er Energieinhalt W el e elektrichen Fele vom Plattenabtan abhängig in. Spannungquelle getrennt,. h. Q kontant A C ε C ~ U Q C Q U ~ ε A W el C U QU W el ~ AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 7 von 8

8 mathphy-online eilaufgabe.3. (4 BE) Der Plattenabtan wir von.8 cm auf.5 cm vergrößert. Berechnen Sie ie Arbeit W, ie beim Vergräßern e Plattenabtane gegen ie Anziehungkräfte er beien ungleichnamig gelaenen Konenatorplatten verrichtet wir. ΔW el W W Q U Q U Q Q ε A Q ε A Q ε A C ΔW el.5 m.8 m A Vm 75 4 m ΔW el.9 5 J AP, Phyik. Klae, Aufgabe III - Löung Seite 8 von 8