Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 2000/2001

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1 Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 2000/2001 Haupttermin: Nach- bzw. Wiederholtermin: Fachrichtung: Technik Fach: Physik Prüfungsdauer: 210 Minuten Hilfsmittel: Formelsammlung/Tafelwerk ohne handschriftliche Eintragungen Taschenrechner (nicht programmierbar, ohne Grafikdisplay) Zeichengeräte, Millimeterpapier Aufgabenschwerpunkte: Aufgabe 1 Elektrische und magnetische Felder, elektromagnetische Induktion Aufgabe 2 Mechanische Schwingungen und Wellen Aufgabe Mechanik fester Körper 0 Aufgabe Gravitationsfeld 0 Bemerkungen:Bei einigen Aufgaben sind Zwischenergebnisse angegeben. Diese dienen zur Kontrolle Ihrer Rechnung und können für die Folgeaufgaben verwendet werden, wenn Ihr Ergebnis falsch sein sollte.

2 2 Aufgabe 1 Elektrische und magnetische Felder, elektromagnetische Induktion In einen Plattenkondensator der Länge 0, m treten Elektronen senkrecht zu den Feldlinien des elektrischen Feldes mittig ein. Die Elektronen durchfliegen den Kondensator in einer Zeit von t = 2, s. Die Feldstärke beträgt E 1 = 2 V/m 1.1 Beschreiben Sie die Teilbewegungen der Elektronen im Kondensator! Mit welcher Geschwindigkeit v 0 treten die Elektronen in den Kondensator ein, und mit welcher Geschwindigkeit v 1 verlassen sie ihn wieder? 1.2 Nach dem Verlassen des Kondensators treten die Elektronen mit der Geschwindigkeit v 1 = 2,0. 10 m/s senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetfeld ein. Begründen Sie, dass die Elektronen einen Kreisbogen durchlaufen und berechnen Sie den Radius dieser Bahn bei einer Flussdichte von, 10 - T! 1. Nach dem Verlassen des Magnetfeldes sollen die Elektronen in einem weiteren homogenen elektrischen Feld E 2 mit der Stärke 0 V/m auf die Geschwindigkeit V E = 0 m/s abgebremst werden. Berechnen Sie die Bremszeit und den Bremsweg der Elektronen! Eine an einer Seite offene, rechteckige Leiterschleife ABCD wird von der Flussdichte B eines homogenen Magnetfeldes senkrecht durchsetzt. Die Leiterschleife wird mit konstanter Geschwindigkeit v =10 cm/s senkrecht zu den Feldlinien nach rechts aus dem Magnetfeld gezogen. 1. Warum wird bei der Bewegung der Leiterschleife zwischen den Punkten A und B eine konstante Spannung gemessen? Welcher Punkt A oder B wird zum Pluspol? Begründen Sie jeweils Ihre Antwort! 1. Berechnen Sie die Stärke der magnetischen Flussdichte, wenn die Spannung einen Wert von 0 mv hat und CD = 0, m beträgt! 1. Die Punkte A und B werden leitend miteinander verbunden. Die Leiterschleife befindet sich vollständig in dem Magnetfeld. Die magnetische Flussdichte wird innerhalb von 1, s linear von 1, T auf 00 mt verkleinert. Berechnen Sie die Stärke des Induktionsstromes, wenn die Leiterschleife mit CD = 0, m und AD = 0, m einen Widerstand von 00 mω besitzt! 1.7 Eine 1 cm lange Zylinderspule mit Eisenkern (µ r = 900) besitzt 70 Windungen. Die Querschnittsfläche der Spule beträgt cm 2. Bei einem Experiment ändert sich die Stromstärke in dieser Spule innerhalb von 0,0 s linear von 1,0 A auf 1,00 A. Berechnen Sie die bei diesem Versuch auftretende Spannung!

3 Aufgabe 2 Mechanische Schwingungen und Wellen Ein Fadenpendel hat die Periodendauer T = 1,99 s. Bei der Auslenkung ist die Rückstellkraft F zu überwinden. 2.1 Fertigen Sie eine Kräfteskizze an und leiten Sie daraus eine allgemeine Beziehung für die Rückstellkraft F her! Begründen Sie an, unter welcher Bedingung diese Schwingung näherungsweise harmonisch verläuft! 2.2 Berechnen Sie die Länge l! [l = 0,99 m] 2. Berechnen Sie die Amplitude, die Maximalgeschwindigkeit und die Maximalbeschleunigung des Pendelkörpers bei einer Auslenkung von und der Fadenlänge l! Einem zunächst in Ruhe befindlichen horizontalen Federschwinger mit der Federkonstanten D = 7 N/m und der Masse m = 00 g wird zum Zeitpunkt t 0 = 0 s Energie zugeführt. Die Masse führt dadurch ungedämpfte Schwingungen mit der Amplitude s max =,0 cm aus. 2. Weisen Sie allgemein nach, dass die kinetische Energie beim Durchgang durch die Gleichgewichtslage gleich der Spannenergie in einem der Umkehrpunkte ist Wieviel Energie wurde dem System zugeführt? 2 Eine periodisch eintauchende Boje auf einem Badesee erzeugt auf der Wasseroberfläche Wellen mit einer Frequenz f = 0, s und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 2 cm/s -1. Die Amplitude beträgt y = cm. Die Anfangsbedingungen lauten : t = 0 ; y = 0 ; s = Berechnen Sie die Wellenlänge und geben Sie die Gleichung dieser Welle für den Fall an, dass sich die Boje zum Zeitpunkt t = 0 durch die Gleichgewichtslage nach oben bewegt! 2.7 Nach welcher Zeit beginnt eine in 2 m Entfernung schwimmende Pose eines Anglers zu schwingen?

4 Aufgabe Mechanik fester Körper Bei den folgenden Aufgaben soll der Luftwiderstand vernachlässigt werden.1 Beschreiben Sie die Bewegungsart "freier Fall", geben Sie die geltenden Gesetze an!.2 Begründen Sie, weshalb die Fallbeschleunigung g ortsabhängig ist! 2 Es sollen einfache Experimente zur Bestimmung der Fallbeschleunigung g durchgeführt werden. Zur Verfügung stehen eine Stoppuhr, ein dünner Faden, ein Bandmaß, ein Massestück und eine Feuerwehrleiter.. Geben Sie zwei mögliche Experimente zur Bestimmung von g an, beschreiben Sie eins davon ausführlich! Ein Körper mit der Masse 00 g wird mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s waagerecht abgeschossen und schlägt nach drei Sekunden auf der Erdoberfläche auf.. Berechnen Sie die kinetische Energie des Körper beim Abschuss und beim Auftreffen auf die Erdoberfläche. Mit welcher Geschwindigkeit kommt der Körper auf der Erdoberfläche an? Um die Tiefe eines Brunnens zu bestimmen, lässt man eine Stahlkugel der Masse 100 g am Brunnenrand frei fallen. Nach,02 s ist am Brunnenrand der Aufschlag der Kugel auf der Wasseroberfläche zu hören.. Berechnen Sie mit den gegebenen Größen einen Näherungswert für die Strecke Wasseroberfläche - Brunnenrand! Warum reichen die Angaben in der Aufgabenstellung nicht für die eine exakte Berechnung?. Ermitteln Sie mit einer Überschlagsrechnung die Größe des Fehlers zwischen Ihrem Näherungswert und der wahren Strecke ab. Fehlende Werte entnehmen Sie der Formelsammlung!.7 Beim Eintritt in das Wasser wird die Kugel auf die konstante Sinkgeschwindigkeit von v s =, m/s abgebremst. Berechnen Sie die an das Wasser abgegebene Energie! 0

5 Aufgabe Gravitationsfeld Seit 199 arbeiten 1 Staaten an dem Projekt der International Space Station (ISS ). Aufgabe der Raumstation wird die Forschung im erdnahen Raum, die Erprobung neuer Technologien und die Fernerkundung der Erde sowie des Weltraums sein. Seit 199 befinden sich schon mehrere Module auf der Umlaufbahn..1 Die Kombination der ersten beiden Module (Gesamtmasse m = 0,0 t) bewegte sich zunächst auf einer kreisähnlichen Bahn in 2 km Höhe. Wie groß waren dort Bahngeschwindigkeit v 1 und kinetische Energie E kin1?.2 Wodurch entsteht in der Raumstation der Effekt der Schwerelosigkeit? 2. Am startete das Space Shuttle Atlantis mit 7 Astronauten an Bord und dockte am an der ISS an. Bei dieser Mission wurde die Raumstation mit Hilfe der Triebwerke des Shuttles auf eine,0 km höhere Kreisbahn gebracht. Berechnen Sie die dabei vom Shuttle an der Station verrichtete Arbeit! Die Masse des Shuttles soll unberücksichtigt bleiben.. Es wird angenommen, dass für die Bahnänderung Wasserstoff verwendet wurde. Berechnen Sie die Wasserstoffmasse, die für die Bahnänderung mindestens notwendig ist! Zur Nachrichtenübertragung werden geostationäre Satelliten, auch Synchronsatelliten genannt, eingesetzt.. Geben Sie wesentliche Merkmale der Flugbahn eines geostationären Satelliten an! 2. Berechnen Sie den Bahnradius eines Synchronsatelliten!.7 Welchen Einfluss nimmt der Mond auf die Bahn von geostationären Satelliten, wenn Erde, Mond und Satellit auf einer Geraden liegen? Unterscheiden Sie die zwei möglichen Anordnungen. Untersuchen Sie qualitativ, ob sich die Einflüsse ausgleichen! Welche Schlussfolgerungen ergeben sich? 0