B. Das nebenstehende Blockdiagramm zeigt einen Energieumwandler. Gegeben sind die STROMSTÄRKEN der jeweiligen Energieträger

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1 PHYSIK Bespel für ene schrftlche Prüfung Allgemene Aufgaben A. Geben Se de allgemenen Zusammenhänge zwschen der Energe, der Energestromstärke, der Energestromdchte und der vom Energestrom durchströmten Fläche n mathematscher Form an. (De verwendeten Symbole müssen den oben genannten Begrffen endeutg zugeordnet werden.) B. Das nebenstehende Blockdagramm zegt enen Energeumwandler. Gegeben snd de STROMSTÄRKE der jewelgen Energeträger a. ennen Se de Energeträger und geben Se mt Hlfe der? M 1 2 M zugeordneten ITESIVE Größen de Glechungen für de EERGIESTROMSTÄRKE am Engang und an den Ausgängen an. I S b. Ermtteln Se aus den Ergebnssen von (a), um welchen Energewandler es sch handelt und geben Se enen mathematschen Ausdruck für den Wrkungsgrad an. C. En Punkt dreht sch m Abstand r entgegen dem Uhrzegersnn mt snkender Drehzahl um ene Achse. a. Zechnen Se de Vektoren der Wnkelgeschwndgket, der Tangentalgeschwndgket, der Wnkelbeschleungung, der Tangental- und der Zentrpetalbeschleungung n de Skzze en (am besten verschedenfarbg!). HIWEIS: De Beträge ( Längen ) der Vektoren snd fre wählbar. b. Geben Se de vollständge Glechung für den "Kresbeschleungungsvektor" des Punktes an und zechnen Se dese (n ene andere Skzze auf dem Aufgabenblatt) en. D. Beobachtung bem Versuch zur Defnton der elektrschen Spannung: Wrd be enem geladenen und solerten (d.h. von der Spannungsquelle getrennten) Kondensator der Plattenabstand en weng vergrößert ( E blebt homogen), so stegt de Spannung zwschen den Platten an. Begründen Se mt Hlfe des m Unterrcht gefundenen Feldgesetzes, WARUM de elektrsche Feldstärke be der oben beschrebenen Abstandsvergrößerung konstant bleben muss. Hnwes: ene oder zwe Glechungen, dazu zwe bs dre erläuternde Sätze Rechenaufgaben 1. Moderne Elektrolokomotven haben elektronsche Motorregelungen, de bem Anfahren und Bremsen das Gleten der Räder auf den Schenen wetgehend verhndern (analog dem 'ABS' be Kfz!). Außerdem snd UTZBREMSUGE möglch, d.h. de Motoren arbeten bem Bremsen als Generatoren: de umgewandelte mechansche Energe wrd an das Oberletungssystem 'zurückgelefert'. Daten: Lokomotvmasse: 84,0t; P zu, max. : 5,6MW; = 98%; maxmale Zugkraft: 340k Haftkoeffzent (Schenen/Räder): 0,47; Gletkoeffzent: 0,25 (kene Luft- und Rollrebung!)

2 a. Berechnen Se de benötgte elektrsche Energemenge, um de Maschne aus dem Stllstand auf Höchstgeschwndgket (200km/h) zu beschleungen. Verglechen Se dese Energemenge mt dem Tagesbedarf enes 'energebewussten' Haushalts (~7kWh). - Kommentar? b. De BR 120 soll auf horzontaler Strecke mt maxmal möglcher Verzögerung bs zum Stllstand gebremst werden (otbremsung). Berechnen Se de dazu benötgte Bremsstrecke ( s B ). Anfangsgeschwndgket: 72km/h Berechnen Se auch de otbremsstrecke be blockerenden Rädern (Motorregelung ausgefallen). c. un soll de BR 120 enen Zug mt 304t Masse bs zum Stllstand abbremsen. De Lokomotve bremst für ene utzbremsung konstant mt hrer maxmalen Zugkraft (Betrag!). Berechnen Se auch her de Bremsstrecke; gleche Anfangsgeschwndgket we be (b). d. Stellen Se ene allgemene Glechung für de Bremslestung als Funkton der Zet auf, welche de Motoren n der Aufgabe (c) aufnehmen müssen. Berechnen Se den Maxmalwert (Betrag) und verglechen Se hn mt den Lestungsdaten des Informatonstextes. Fällt Ihnen etwas auf? 2. En Plattenkondensator st über enen Schalter an ene bpolare Spannungsquelle angeschlossen. Quellenspannung und Plattenabstand des Kondensators snd anfangs konstant. Zusätzlch steht en Ladungsmesssystem (Faradaybecher, Messverstärker, ma Meter, Influenzplatte) zur Verfügung. Sechs aufenanderfolgende Entnahmen von Ladungen aus dem Kondensator ergeben folgende Ausgangsstromstärken des Messverstärkers: I M /µa wetere Daten: Influenzplattenfläche: 48,0(cm)²; Verstärkungsfaktor: ³A/C; ø(kondensatorplatte): 26,7cm; Plattenabstand: 3,00cm; Durchbruchsfeldstärke von Luft: 2,5MV/m; R (Luft) = 1,00 a. Skzzeren Se den Schaltplan von Kondensator und Spannungsquelle (eventuell noch mt Influenzplatte; Bezechnungen ausschreben). b. Unter welchen Voraussetzungen lässt sch aus Ladungsproben ( Q I ), de mt der Influenzplatte aus dem Kondensator entnommen wurden, de Ladung auf der Kondensatorplatte berechnen? (Zwe bs dre Sätze, kurze Erläuterung) Entwckeln Se dabe ene allgemene Glechung für de Ladung der Kondensatorplatte. c. Berechnen Se mt Hlfe der Glechung de Ladung auf der untersuchten Kondensatorplatte. Hnwes: Vergessen Se ncht Ihre egenen Erläuterungen unter (b) d. Berechnen Se de Feldstärke m Kondensator und de Spannung zwschen den Platten. e.* Berechnen Se de maxmale Spannung, de an den Kondensator angelegt werden darf, ohne enen Überschlag (Bltz) zwschen den Platten zu rskeren (Kurzer Kommentar). * Berechnen Se de dabe exsterende Energedchte des elektrschen Feldes E 0 n Luft und de * maxmale Energemenge, de der Kondensator bem angegebenen Plattenabstand spechern kann. * Auf welchen Wert ändert sch dese Energemenge, wenn be abgetrennter Quelle der Plattenabstand auf 4,50cm vergrößert wrd und wodurch? (kurzer Kommentar) Konstanten: g = 9,81/kg, 0 = 8, C/Vm

3 Musterlösung: Allgemene Aufgaben

4 Rechenaufgaben

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6 Bespel für ene mündlche Prüfung Kresbewegungen A En punktförmger Körper (Masse m 0 ) rotert mt der Wnkelgeschwndgket m Abstand r um ene Achse. a. Skzzeren Se das System und geben Se den Zusammenhang zwschen Ortsvektor ( r ), Wnkelgeschwndgketsvektor ( ) und dem Tangentalgeschwndgketsvektor ( v T ) an. b. Geben Se enen allgemenen Ausdruck für de Rotatonsenerge deses Systems an. Zu welcher Art (Oberbegrff) gehört dese Energeform? c. Defneren Se durch Analogebldung mt Hlfe der Translatonsenerge (enes punktförmgen Körpers) das TRÄGHEITSMOMET deses Systems. B un soll en ausgedehnter, starrer Körper (Masse m Ges ) mt um ene Achse roteren. Man kann sch desen Körper aus ener sehr großen Anzahl sehr klener Massen ( m ) zusammengesetzt denken, de n verschedenen Abständen r um de Achse roteren. a. Fnden Se analog zu (A) enen allgemenen Ausdruck für de Rotatonsenerge deses Körpers. b. Fnden Se ebenso enen allgemenen Ausdruck für das Träghetsmoment des Körpers. Musterlösung: A Skzze: a. : fre wählbar; Anwendung der "Rechtsschraubenregel" be: v T r und dadurch Festlegung von v T b. E = ½ m v T ² = ½ m r ² ² = E Rot. : Es handelt sch um ene Form der Bewegungsenerge. ("Knetsche Energe") c. E Translaton = ½ m v ² mt "m" : Träge Masse und "v": Geschwndgket entsprechend: E Rot = ½ m r ² ² mt " " : Wnkelgeschwndgket, und "m r ²" = (J (A) ) : abgekürzt: E Rot = ½ J Punkt (A) ² Träghetsmoment n Bezug auf de Achse (A) B a. Starrer Körper: De enzelnen Massenelemente m des Körpers snd ncht gegenenander verschebbar: Alle roteren mt der glechen Wnkelgeschwndgket. Der Körper besteht aus "" Massenelementen. 2 A 2 2 ( ) 2 E Rot. (Körper) = E ½ m r ½ m r, wobe m( Körper ) 1 Rot, 1 2 ( A) ( A) b. Abkürzung für den letzten Summenausdruck analog (A, c): m ( r ) J ( Körper ), also E Rot. (Körper) = ½ J (A) (Körper) ², das heßt auch, de Rotatonsenerge des Körpers st (be = konst.) abhängg von der Lage der Rotatonsachse des Körpers m