Grundwissen Physik Klasse 10

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1 Grundwissen Physik Klasse 10 Präfix-Übersicht: Symbol Name Wert T Tera = G Giga = 10 9 M Mega = 10 6 k Kilo = 10 3 h Hekto 100 = 10 2 d Dezi 0, 1 = 10 1 c Zenti 0, 01 = 10 2 m Milli 0, 001 = 10 3 µ Mikro 0, = 10 6 n Nano 0, = 10 9 p Piko 0, = f Femto 0, = Physikalische Größen: Symbol/Formelzeichen Physikalische Größe Einheit t Zeit 1 Sekunde = 1 s s (bzw. x) Weg/Strecke (bzw. Ort) 1 Meter = 1 m m Masse 1 Kilogramm = 1 kg v Formel: v = Δs Δt (falls v konstant ist) a Formel: a = Δv Δt (falls a konstant ist) F Formel: F = m a Geschwindigkeit Beschleunigung (Fallbeschleunigungskonstante: g Erde = 9, 81 m s 2) Kraft (Gewichtskraft: F G = m g) 1 m s 1 m s 2 1 Newton = 1 N D Federhärte 1 N m E Energie 1 Joule = 1 J W Formel: W = F s (falls F = const und F s) W = E nachher E vorher Arbeit 1 Joule = 1 J

2 P Leistung 1 Watt = 1 W Formel: P = W t Q Elektrische Ladung 1 Coulomb = 1 C I Formel: I = ΔQ Elektrische Stromstärke 1 Ampere = 1 A Δt (falls I konstant ist) U Elektrische Spannung 1 Volt = 1 V R Formel: R = U I Elektrischer Widerstand 1 Ohm = 1 Ω T (Angaben auch als θ in C) Q Formel: Q = E innere = c m T (c: spez. Wärmekapazität) Temperatur (0 K = 273, 15 C) Wärme [T] = 1 Kelvin = 1 K ([θ] = 1 C) 1 Joule = 1 J Weitere Formeln: kinetische Energie E kin = 1 m v2 2 Höhenenergie/potenzielle Energie bezüglich eines fest gewählten Nullniveaus: E pot = m g h elektrische Energie E el = U I t elektrische Leistung P el = U I Wirkungsgrad η = E nutz E aufgewendet (Angabe in %) Allgemeine Bewegungsgleichungen für gleichmäßig beschleunigte Bewegungen: v(t) = v 0 + a t x(t) = x 0 + v 0 t + 1 a t2 2

3 Aufgaben zur Mechanik: 1. Ein PKW fährt zunächst mit einer Geschwindigkeit von 90 km h auf die Autobahn auf. a) Weise zunächst nach, dass der Umrechnungsfaktor von m s in km h 3,6 beträgt und berechne damit anschließend die Geschwindigkeit des PKWs in m s. Nach 5 s beschleunigt der PKW 10 s lang gleichmäßig mit a = 3,0 m s2 und fährt anschließend weitere fünf Sekunden mit dieser konstanten Endgeschwindigkeit weiter. b) Berechne zunächst alle nötigen Werte und zeichne das zugehörige v(t)-diagramm für die zuvor beschriebenen 20 Sekunden (d.h. Zeitachse nach rechts, Geschwindigkeitsachse nach oben). c) Berechne die während des Beschleunigungsvorgangs verrichtete Beschleunigungsarbeit sowie die mindestens nötige Kraft des Motors, wenn der PKW eine Masse eine Masse von 1,5 t hat. d) Berechne jeweils den in den einzelnen Abschnitten zurückgelegten Weg mit Hilfe der Bewegungsgleichungen und skizziere möglichst genau das zugehörige s(t) Diagramm für die zuvor beschriebenen 20 Sekunden (d.h. Zeitachse nach rechts, Achse mit zurückgelegter Strecke nach oben). 2. Die Fahrt eines PKW wird für einen Zeitraum von 90 Sekunden durch nachfolgendes Diagramm dargestellt. a) Beschreibe die fünf Abschnitte der Bewegung des Fahrzeugs mit Fachbegriffen. Entnimm dazu geeignete Werte aus dem Diagramm und berechne ggf. noch nötige Werte. Interpretiere zudem, wodurch dieser Bewegungsablauf zustande gekommen sein kann. b) Berechne jeweils den in den einzelnen Abschnitten zurückgelegten Weg mit Hilfe der Bewegungsgleichungen. 3. Entscheide, ob die nachfolgenden Aussagen zum freien Fall richtig oder falsch sind. Weise bei richtigen Aussagen nach, dass diese Aussage stimmt und stelle falsche Aussagen richtig. Jörg: Jeder Körper fällt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 9,81 m s. Tina: Die Endgeschwindigkeit eines Körpers auf dem Boden ist umso größer, je größer seine Masse ist. Sepp: Durch eine Ver-16-fachung der Fallhöhe erreicht man auch eine Ver-16-fachung der maximalen kinetischen Energie. Paul: Den nach einer gewissen Fallzeit t zurückgelegten Weg berechnet man durch s(t) = g t 2 4. Der Motor eines Krans mit einer theoretischen Leistung von 1 kw hat einen Wirkungsgrad von 80%. Berechne, wie lange der Kran benötigt, um einen 200 kg schweren Betonblock um 8 m anzuheben.

4 5. Beschreibe, wie man vorgehen müsste, um die Federhärte einer Schraubenfeder zu bestimmen, wenn man dazu nur die Spiralfeder, ein Massestück mit bekannter Gewichtskraft, einen Haken zum Aufhängen und ein langes Lineal zur Verfügung hat. 6. Ein Schneeball wird aus 1,5 m Höhe über dem Boden mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 20 m s oben geworfen. vertikal nach a) Bestimme über die Energieerhaltung, welche maximale Höhe über dem Boden der Schneeball erreicht. Berechne zudem über die Bewegungsgleichungen, wie lange der Schneeball benötigt, um diesen höchsten Punkt zu erreichen. b) Berechne mit Hilfe der Bewegungsgleichungen, wie lange der Ball nach dem Abwurf benötigt, um auf dem Boden aufzukommen.

5 Aufgaben zu Elektrizität und Magnetismus: 1. In nachfolgenden Abbildungen sieht man je ein Proton, ein Elektron und ein Neutron in Magnet- bzw. elektrische Felder einfliegen. Zeichne jeweils die weitere Flugbahn ein. Magnetfeld elektrisches Feld Elektron Elektron Proton Neutron Proton Neutron 2. Nachfolgende Abbildung zeigt eine stromdurchflossene Leiterschleife in einem Magnetfeld. Dabei geben die Punkte/Kreuze in der Abbildung die Elektronenbewegungsrichtung innerhalb der Leiterschleife an! a) Beschreibe und erkläre, wie sich der stromdurchflossene Leiter verhalten wird. N S b) Skizziere eine Stellung der stromdurchflossenen Leiterschleife in vorangehende Abbildung so ein, dass die Leiterschleife nicht andrehen/weiterdrehen würde. Nenne außerdem den Namen und beschreibe kurz die Funktionsweise des Bauteils bei einem Elektromotor, das dafür sorgt, dass der drehende Elektromotor eben in diesem Punkt nicht stehen bleibt. 3. Ein Aluminiumring wird an einem Faden aufgehängt. a) Beschreibe und erkläre, was passiert, wenn man sich mit einem Stabmagneten dem Ring nähert bzw. sich wieder entfernt. b) Erkläre, weshalb für diesen Effekt der Ring aus Aluminium und nicht aus Eisen sein sollte. 4. Wie in nebenstehender Abbildung zu sehen ist, befindet sich Spule 1 mit einem Schalter und einer regelbaren Gleichspannungsquelle in einem Schaltkreis. An Spule 2 hingegen ist ein Voltmeter angeschlossen, um zu überprüfen, ob in dieser zweiten Spule eine Spannung induziert wird. Beschreibe verschiedene Möglichkeiten, um in Spule 2 eine Spannung zu induzieren. 5. Ein ipad-ladegerät ist ein kleiner Transformator und wird direkt an die Netzspannung von 230 V angeschlossen. Dabei liefert es eine Sekundärspannung von 5 V und beim Laden des ipads fließt ein Sekundärstrom von 2 A. a) Bestimme nachvollziehbar das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspule. b) Bestimme sowohl die Primärstromstärke als auch die elektrische Leistung des idealen Transformators.

6 Aufgaben zur Atom- und Kernphysik: 1. Beschreibe den Unterschied der Emissionsspektren einer Glühlampe und einer Leuchtstoffröhre. 2. Eine bestimmte Atomsorte habe drei Anregungszustände mit den Energien E 1 = 2,0 ev, E 2 = 3,8 ev und E 3 = 5,0 ev. Der Grundzustand soll hierbei E 0 = 0 ev sein. Zeichne ein maßstabsgerechtes Energieniveauschema, wobei alle möglichen Übergänge durch Pfeile dargestellt werden sollen. Schreibe zudem an jeden Übergang, zu welchem Spektralbereich das jeweilige Photon gehört. 3. Eine bestimmte Atomsorte habe vier Anregungszustände mit den Energien E 1 = 1,4 ev, E 2 = 3,2 ev, E 3 = 4,8 ev und E 4 = 5,0 ev. Der Grundzustand soll hierbei E 0 = 0 ev sein. Erkläre jeweils was passiert, wenn ein Gas, das nur aus Atomen der zuvor beschriebenen Sorte besteht, mit Licht der Energie 1,6 ev bzw. 3,2 ev bestrahlt wird. 4. Beschreibe die Vorgänge im Kerninneren bei einem α (bzw. β ) Zerfall. 5. Stelle die Zerfallsgleichung für einen α-zerfall von Bi212 auf. 6. Das Nuklid Californium Cf248 zerfällt durch eine Folge von α- und β -Zerfällen schließlich bis zu Blei Pb208. Bestimme nachvollziehbar, wie viele Zerfälle dafür jeweils nötig sind. 7. Zum Zeitpunkt t = 0 enthält eine Probe reines Jod I131 (Halbwertszeit: 8,04 Tage). Die Anfangsaktivität A 0 beträgt 3, Bq. Berechne ausgehend von dieser Anfangsaktivität die restliche Aktivität nach genau 1 Jahr.