Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 2004/2005

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1 Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 200/200 Haupttermin: Nach- bzw Wiederholtermin: Fachrichtung: Technik Fach: Physik Prüfungsdauer: 210 Minuten Hilfsmittel: - Formelsammlung/Tafelwerk ohne handschriftliche Eintragungen - Taschenrechner (grafikfähig und programmierbar, ohne Computeralgebrasystem, ohne Handbuch) - Zeichengeräte, Millimeterpapier Aufgabenschwerpunkte: Aufgabe 1 Mechanik fester Körper Aufgabe 2 Elektrisches Feld Aufgabe Elektromagnetische Schwingungen 0 Aufgabe Mechanik der Fluide 0 Bemerkungen: Jeder Schüler hat die Aufgaben 1 und 2 sowie eine der Aufgaben oder zu lösen Die Auswahl der Wahlaufgabe trifft der Schüler Eventuell angegebene Zwischenergebnisse dienen zur Kontrolle Ihrer Rechnung und können für die Folgeaufgaben verwendet werden, wenn Ihr Ergebnis falsch sein sollte

2 Aufgabe 1 Mechanik fester Körper Ein Pkw fährt mit einer Geschwindigkeit von v 0 = kmh In einer Entfernung von s 0 = 2 m vor dem Pkw taucht zum Zeitpunkt t = 0 s plötzlich ein Hindernis auf Der Fahrer betätigt die Bremsen Nach 0, s setzt die Bremswirkung ein Die Bremskraft soll während des gesamten Bremsvorgangs als konstant angenommen werden 11 Berechnen Sie die Strecke, die der Pkw bis zum Einsetzen der Bremswirkung zurücklegt! 12 Berechnen Sie die notwendige Bremsverzögerung a 1, damit der Pkw genau vor dem Hindernis zum Stillstand kommt! 1 Stellen Sie die Geschwindigkeit des Pkw in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg in einem Diagramm für die gesamte Entfernung von 2 m dar und begründen Sie den Kurvenverlauf! 1 Berechnen Sie die erforderliche Reibungszahl µ 1 zwischen Reifen und Straße, damit der Pkw bei der Vollbremsung mit blockierten Rädern genau vor dem Hindernis zum Stillstand kommt! Auf regennasser Fahrbahn ergibt sich bei sonst gleichen Anfangsbedingungen eine andere Situation Der Pkw prallt mit der Geschwindigkeit v A = 0 kmh auf das Hindernis Die Verformung des Pkw zwischen Aufprall und Stillstand erfolgt längs einer Verzögerungsstrecke von x = 0,7 m 1 Berechnen Sie den Betrag der als konstant angenommenen Verzögerung a 2, die der angegurtete Fahrer beim Aufprall erfährt! 1 Geben Sie die für die Vollbremsung mit blockierten Rädern vorliegende Reibungsart an und beschreiben Sie, warum der Pkw mit der Geschwindigkeit v A auf das Hindernis prallt! Begründen Sie Ihre Aussagen! Der Pkw (m = 1200 kg) wird nach dem Unfall vom Pannendienst mit einer Seilwinde über eine geneigte Ebene mit konstanter Geschwindigkeit auf einen Lkw geladen Die geneigte Ebene steigt mit einem Winkel von 17 zur waagerechten Straße an Die Reibungszahl zwischen den blockierten Rädern und der geneigten Ebene beträgt µ 2 = 0,2 17 Berechnen Sie die Kraft, die während der Bewegung auf der geneigten Ebene im Zugseil wirkt! 18 Welche Leistung muss der Antrieb dieser Seilwinde bei einem Wirkungsgrad von η = % haben, wenn auf der geneigten Ebene in einer Zeit von s ein Weg von 0 zurückgelegt wird?

3 Aufgabe 2 Elektrisches Feld Zwei elektrisch geladene Kugeln tragen gleichgroße Ladungen von jeweils Q = +7, nc und stoßen sich entlang der Geraden durch beide Kugelmittelpunkte mit der Kraft F = 2,0 10 N ab Die Kugeln werden als Punktladungen betrachtet und befinden sich im Vakuum 21 Skizzieren Sie die Anordnung, tragen Sie das Feldlinienbild ein und benennen Sie die vorliegende Feldform! 22 Berechnen Sie den Abstand der Mittelpunkte beider Kugeln! Ein Plattenkondensator mit einer Kapazität von C = 0,1 µf soll hergestellt werden Der Plattenabstand beträgt 0,1 mm Als Dielektrikum wird Porzellan mit der Dielektriziätskonstante ε r =,0 verwendet 2 Berechnen Sie den erforderlichen Durchmesser der kreisförmigen Platten! 2 Berechnen Sie die Feldstärke zwischen den Platten, wenn der Kondensator die Ladung Q = 1,2 10 C speichert! In das homogene Feld eines anderen Plattenkondensators mit der Spannung U werden Elektronen der Anfangsgeschwindigkeit v 0 = 2,0 10 ms durch ein Loch in der einen Platte in Richtung des elektrischen Feldes eingeschossen Sie treffen mit der Geschwindigkeit v 1 auf die zweite Platte auf 2 Vergleichen Sie v o mit v 1 und begründen Sie Ihre Aussage! 2 Leiten Sie aus allgemeinen Ansätzen die angegebene Gleichung für die Geschwindigkeit v 1 her! v1 = 2 m² v, U s² V 27 Berechnen Sie die Geschwindigkeit v 1 für die Spannung U =,0 V! 28 Berechnen Sie die Spannung U, bei der die Elektronen die zweite Platte des Kondensators gerade noch erreichen!

4 Aufgabe Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Eine Quecksilberdampflampe mit Spule kann vereinfacht als Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes mit einem induktiven Widerstand betrachtet werden Diese Reihenschaltung wird an eine sinusförmige Wechselspannung (U eff = 20 V, f = 0 Hz) angeschlossen Es fließt ein Strom I eff = 0,0 A Zwischen u = f(t) und i = f(t) entsteht eine Phasenverschiebung von ϕ =, 1 Berechnen Sie die Amplituden u max der Spannung und i max des Stromes! 2 2 Skizzieren Sie u = f(t) und i = f(t) in einem Diagramm unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung! Berechnen Sie den Scheinwiderstand Z, den induktiven Widerstand X L, den ohmschen Widerstand R und die Induktivität L des induktiven Widerstandes! [X L = Ω] 12 Berechnen Sie die Spannung über dem induktiven Widerstand X L! Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator (C =, µf) und einer Spule (L = 0,2 H) Die ohmschen Anteile der Bauelemente werden vernachlässigt Beide Bauelemente werden parallel an eine Spannungsquelle mit sinusförmiger Wechselspannung (U eff = 12 V) angeschlossen Berechnen Sie die Eigenfrequenz des Schwingkreises! 2 Berechnen Sie die Maximalwerte der Stromstärken durch die Bauelemente, wenn die Frequenz der Spannungsquelle f = 7 Hz beträgt! 7 Beschreiben Sie, wie sich I C und I L ändern, wenn die Frequenz, ausgehend von f = 7 Hz, im Fall a verkleinert und im Fall b vergrößert wird! Begründen Sie Ihre Aussagen! 0

5 Aufgabe Mechanik der Fluide Der Pumpenkolben einer hydraulischen Presse hat eine Fläche von 2, ² und der Arbeitskolben eine Fläche von 200 ² Der Schweredruck der Flüssigkeit innerhalb der Presse wird vernachlässigt Am Pumpenkolben wirkt eine Kraft von 00 N auf die Kolbenfläche 1 Berechnen Sie den Druck innerhalb der Flüssigkeit und die auf den Arbeitskolben ausgeübte Kraft! 2 Berechnen Sie den Weg des Arbeitskolbens, wenn der Pumpenkolben um 10 nach unten gedrückt wird! 2 Eine massive Stahlkugel mit der Dichte 7, 8 g vollständig in Öl mit der Dichte 0, 8 g und der Masse 10 g befindet sich Berechnen Sie die Auftriebskraft! Von einem schwimmenden Eisberg mit der Dichte 0, 92 g befinden sich 8000 m³ unter Wasser Die Dichte des Wassers beträgt 1, 02 g Berechnen Sie das Volumen des Eises oberhalb der Wasserfläche! In einigen Experimenten wird das Verhalten von Ballons untersucht Die Dichte der Luft beträgt dabei 1, 29 g l Berechnen Sie die Auftriebskraft, die auf einen kugelförmigen Heißluftballon von 10 m Durchmesser wirkt! Berechnen Sie die nach oben gerichtete Kraft, wenn die heiße Luft im Balloninneren einen Dichte von 0, 9 g l und die Ballonhülle eine Masse von 0 kg hat! 7 Ein leerer Luftballon der Masse g wird mit Helium gefüllt Die Dichte des Heliums im Ballon beträgt 0,179 g l Wie viel Liter Helium befinden sich im Ballon, wenn dieser in Luft der Dichte 1,29 g l gerade schwebt? 0

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