Lösungen Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1996/97 Sachsen Autor: Dirk Hein, Freital ( Aufgabe 1 Mechanik der Flüssigkeiten

Transkript

1 Aufgabe Mechanik der lüssigkeiten. Körper : Der Körper sinkt in der lüssigkeit auf den Boden des Gefäßes. Körper 2: Der Körper taucht kurz in die lüssigkeit ein und schwimmt anschließend an der Oberfläche.. 2 Taucht man einen Körper in eine lüssigkeit ein, so wirkt der Gewichtskraft des Körpers die Auftriebskraft entgegen, die zu einer scheinbaren Verringerung der Gewichtskraft des Körpers führt. Die Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten lüssigkeit (Gesetz des Archimedes). Die Gewichtskraft von Körper ist größer als die Auftriebskraft, die der Körper erfährt. Deshalb ist die Gesamtkraft des Systems nach unten gerichtet. Körper 2 schwimmt an der Oberfläche. Also ist die Auftriebskraft, die der Körper erfährt, genau so groß wie seine Gewichtskraft. Der Körper schwimmt... 3 Ein Körper, der vollständig eingetaucht ist, schwebt in einer lüssigkeit, wenn die Gewichtskraft des Körpers und die an ihm wirkende Auftriebskraft gleich groß ist. Man müsste zum Beispiel die Masse von Körper so verringern, dass seine Gewichtskraft genau so groß ist wie die Auftriebskraft, die Körper erfährt. Da das Volumen des eingetauchten Körpers und das der verdrängten lüssigkeit gleich ist, sind auch die Dichten vom Körper und der lüssigkeit entscheidend. Man könnte also die Dichte der lüssigkeit vergrößern, zum Beispiel durch Hinzugeben von Salz, bis sie den gleichen Wert hat wie die Dichte des Körpers. Seite von 9

2 Aufgabe 2 Elektrizitätslehre 2. Darstellung der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung in einem Diagramm: 2. 2 Berechnen des elektrischen Widerstandes für V: geg.: U = V ges.: R I = 60 ma = 0,06 A R = U I V R = 006, A R = 6, 7 Ω Bei einer Spannung von V beträgt der elektrische Widerstand 6,7 Ω. Berechnen des elektrischen Widerstandes für 6 V: geg.: U = 6 V ges.: R I = 360 ma = 0,36 A Seite 2 von 9

3 R = U I 6 V R = 036, A R = 6, 7 Ω Bei einer Spannung von 6 V beträgt der elektrische Widerstand ebenfalls 6,7 Ω Bei dem Bauelement handelt es sich um einen Kostantandraht, weil der elektrische Widerstand bei steigender Spannung (nahezu) unverändert bleibt. Erkennbar ist dies auch an der sich im Diagramm ergebenden Gerade. Aufgabe 3 Mechanische Wellen 3. Mechanische Wellen besitzen u.a. folgende Eigenschaften: Reflexion Brechung Beugung Interferenz allseitige und geradlinige Ausbreitung Bei der Reflexion trifft eine mechanische Welle auf ein Hindernis und wird an diesem zurückgeworfen. Das Echolotverfahren nutzt diese Eigenschaft. Um Meerestiefen zu bestimmen, sendet ein an einem Schiff angebrachter Schallgeber Schallwellen von 20 bis 600 khz aus. Diese laufen zum Meeresboden und werden dort reflektiert. Der Echolotempfänger meldet nach kurzer Zeit das Eintreffen der zurücklaufenden Schallwellen. Aus der Zeit, die zwischen dem Aussenden und dem Empfangen vergeht, bestimmt ein Rechner die Meerestiefe Der Blitz ist ein kurzer, aber sehr starker elektrischer Strom, der die unterschiedlichen Ladungen zwischen zwei Wolken oder zwischen einer Wolke Seite 3 von 9

4 und der Erdoberfläche ausgleicht und mit einer starken Lichterscheinung verbunden. Er tritt vor allem bei einem Gewitter auf und breitet sich zum Beobachter hin mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300 Millionen m/s) aus. Der Donner ist ein Geräusch, das durch die explosionsartige Ausdehnung der von einem Blitz erhitzten Luft verursacht wird. Die entstehende Druckwelle setzt sich als Schall fort und breitet sich zum Beobachter hin mit Schallgeschwindigkeit (ca. 340 m/s) aus. Ein Vergleich zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit viel größer ist als die Schallgeschwindigkeit. Deshalb erreicht der Blitz den Beobachter eher als der Donner Schalldämpfer beim Auto: Zwischen Motor und Auspuff befinden sich ein oder zwei Töpfe, die innen aus mehreren Kammern bestehen, die mit Glas- oder Stahlwolle gefüllt sind. Die Schallwellen des Motors dringen in alle Ecken dieser Kammern; sie werden häufig reflektiert. Bei jeder dieser Reflexionen wird auch ein Teil der Schallenergie absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Auf diese Weise verlaufen sich die Schallwellen in den Poren der üllung, und die Lautstärke nimmt deutlich ab. Das heißt, bei dieser Maßnahme wird der Schall regelrecht vernichtet. Aufgabe 4 Thermodynamik 4. Ein Thermosgefäß besteht aus Glas und ist doppelwandig. Zusätzlich ist das Gefäß außen nochmals isoliert. Die inneren lächen sind verspiegelt. Seite 4 von 9

5 4. 2 Die Wärmeübertragung an die Umgebung wird durch verschiedene Maßnahmen vermindert. Das Thermosgefäß besteht aus Glas. Glas ist ein schlechter Wärmeleiter. Es ist doppelwandig. Der Zwischenraum ist zur Verminderung der Wärmeübertragung nahezu luftleer gepumpt. Zwischen Thermosgefäß und Gehäuse befindet sich Luft. Luft ist ebenfalls ein sehr schlechter Wärmeleiter und vermindert die Wärmeströmung. Die Innenflächen sind verspiegelt. Die Wärmestrahlung wird ins Gefäßinnere reflektiert. Der Deckel ist aus Korkstoff. Kork ist ein schlechter Wärmeleiter. Seite 5 von 9

6 Aufgabe 5 Elektrizitätslehre 5. Vorbereitung:. Schaltplan: 2. Messwerttabelle: Lfd. Nr. N N 2 U in V U 2 in V N : N 2 U : U Durchführung: Aufbau der Schaltung. Kontrolle der Schaltung durch den Lehrer 2. Durchführen der Messungen für verschiedene Spannungen Seite 6 von 9

7 3. Notieren der Messwerte Lfd. Nr. N N 2 U in V U 2 in V N : N 2 U : U ,0 6,0 0,5 0, ,0 8,0 0,5 0, ,0 0,0 0,5 0, ,0 2,0 0,5 0,5 Auswertung:. Berechnen der Quotienten N : N 2 und U : U 2. Der Vergleich zeigt, dass beide Quotienten jeweils übereinstimmen. Es gilt also am unbelasteten Transformator das Gesetz: U U 2 N =. N 2 2. Bei diesem Versuch gibt es mehrere ehlerquellen: die Messinstrumente beeinflussen die Spannung Messgerätefehler Ablesefehler Erwärmung der Spulen, also Wärmeverluste Schaltplan: Seite 7 von 9

8 Berechnen der elektrischen Stromstärke für den Grill: geg.: U = 230 V ges.: I P = 800 W P = U I (Umstellen der ormel nach I) I P I = U I = = 35 A, W V Die elektrische Stromstärke für den Grill beträgt 3,5 A. Berechnen der elektrischen Stromstärke für den Mixer: geg.: U = 230 V ges.: I 2 P = 550 W I P I = U I = = 24 A 2, W V Die elektrische Stromstärke für den Mixer beträgt 2,4 A. Berechnen der elektrischen Stromstärke für die Mikrowelle: geg.: U = 230 V ges.: I 3 P = 200 W Seite 8 von 9

9 I P I = U I = = 52 A 3, W V Die elektrische Stromstärke für die Mikrowelle beträgt 5,2 A. Berechnen der Gesamtstromstärke: geg.: I = 35, A ges.: I I2 = 24, A I3 = 52, A I= I + I + I 2 3 I= 35, A+ 24, A+ 52, A I=, A Die Gesamtstromstärke beträgt, A Es ist ein Unterbrechen des Stromkreises zu erwarten, weil die Gesamtstromstärke der drei Geräte höher ist als die zulässige Stromstärke der Sicherung Im Vakuum sind zunächst keine frei bewegliche Ladungsträger vorhanden. Diese werden durch Glüh- oder otoemission erzeugt. Beim glühelektrischen Effekt wird einer Metallplatte (Katode) durch Erwärmen so viel Energie zugeführt, dass sich Elektronen aus der Metalloberfläche herauslösen können. Beim lichtelektrischen Effekt werden durch Bestrahlung mit Licht Elektronen aus der Oberfläche der Katode emittiert. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung (Minuspol an Katode, Pluspol an Anode) gelangen die Elektronen zur Anode und es fließt ein elektrischer Strom. Seite 9 von 9

10 Heizwendel 2 Katode 3 Wehneltzylinder 4 Anode 5 Ablenkplatten 6 Bildschirm Die Elektronenstrahlröhre findet in vielen Geräten Anwendung: ernsehgerät Computerbildschirm Oszillograph Seite 0 von 9

11 Aufgabe 6 Mechanik 6.. Der Unterschied besteht im Betrag und in der Richtung der beiden Kräfte: Durch die Verwendung einer geneigten Ebene ist die aufzuwendende Zugkraft auf jeden all kleiner als die Gewichtskraft des PKW. Die Zugkraft wirkt längs der geneigten Ebene, die Gewichtskraft des PKW dagegen senkrecht nach unten (also in Richtung Erdmittelpunkt) Bestimmen der Gewichtskraft des PKW: geg.: m =,2 t = 200 kg ges.: G G G G = m g = 200 kg 9, 8 = 772 N m 2 s Ermitteln der Zugkraft: geg.: l = 5,00 m h = 2,50 m ges.: Z Z G Z Z Z h = (Gesetz der geneigten Ebene) l G h = l 772 N 2, 50 m = 500, m = 5886 N Die Zugkraft der Motorwinde beträgt 5886 N Berechnen der von der Motorwinde zu verrichtenden mechanischen Arbeit: geg.: Z = 5886 N ges.: W l = 500, m Seite von 9

12 W = l Z W = 5886 N 5, 00 m W = Nm Die von der Motorwinde zu verrichtende mechanische Arbeit beträgt Nm ür alle kraftumformenden Einrichtungen gilt: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen (Goldene Regel der Mechanik). ür die geneigte Ebene bedeutet das: Je länger die geneigte Ebene ist (erreichbar durch einen kleineren Neigungswinkel α), desto kleiner ist die Zugkraft. Also: Je größer der Neigungswinkel α, desto größer ist auch die Zugkraft der Motorwinde. Da die Gewichtskraft eines Körpers (an einem bestimmten Ort) nur von der Masse des Körpers abhängt, hat der Neigungswinkel α keinen Einfluss auf die Größe der Gewichtskraft des PKW. Ebenso spielt der Neigungswinkel α für die verrichtete mechanische Arbeit keine Rolle, da bei einem physikalischen Vorgang ob mit oder ohne Verwendung einer kraftumformenden Einrichtung immer gleich viel Arbeit verrichtet wird Man erkennt die Anordnung einer festen und einer losen Rolle Die Größe des Gegengewichtes ist so gewählt, dass es sich mit der Leuchte im Gleichgewicht befindet. Die Höhe der Leuchte lässt sich durch die Vorrichtung mit Hilfe des Gegengewichtes beliebig einstellen Bestimmen der Gewichtskraft der Lampe: geg.: 2 = 56 N (Gewichtskraft des Gegengewichts) ges.: (Gewichtskraft der Lampe) 2 2 = (Gesetz der losen Rolle) Seite 2 von 9

13 = 2 56 N = 28 N Die Gewichtskraft der Lampe beträgt 28 N Anwendung findet ein einseitiger Hebel Skizze: Berechnen des Abstandes des Gegengewichts vom Drehpunkt: geg.: = N(Gewichtskraft des Gegengewichts) 4 2 = 20 N (Kraft des Dampfes) l2 = 5 mm ges.: l l l l 2 l2 = (Hebelgesetz) l l = N 5 mm = 4 N = 75 mm Seite 3 von 9

14 Das Gegengewicht befindet sich 75 mm vom Drehpunkt entfernt Es ist zu erwarten, dass sich beide Jugendliche entgegengesetzt voneinander entfernen. Da die beiden Jugendlichen die gleiche Masse haben, müssen sie auch die gleiche Geschwindigkeit erhalten Wechselwirkungsgesetz: Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der beiden Körper eine Kraft. Die Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. = ( actio = reactio bzw. Wirkung = Gegenwirkung ) Eine Person steigt an einer Anlegestelle aus einem Boot aus. Das Wechselwirkungsgesetz ist in diesem alle der Grund dafür, dass sich beim Aussteigen das Boot entgegengesetzt von der Person weg bewegt. Seite 4 von 9

15 Aufgabe 7 Optik 7. Skizzieren der Experimentieranordnung: Das Spektrum entsteht hinter dem Prisma, weil weißes Licht aus dem Licht unterschiedlicher arben mit unterschiedlicher Wellenlänge besteht. Es wird beim Übergang von Luft in Glas bzw. von Glas in Luft (wie beim Prisma) unterschiedlich stark, jeweils in gleicher Richtung, gebrochen. Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes Licht. Dadurch kommt es zur Auffächerung des weißen Lichtes Berechnen des Brechungswinkels: geg.: α= 30 ges.: β km s c = (Lichtgeschwindigkeit in leichtem Kronglas) km s c2 = (Lichtgeschwindigkeit in Luft) sin α sin β = c c 2 (Brechungsgesetz) Seite 5 von 9

16 sin α c2 sin β = c sin sin β = km s sin β = 0, 754 β = 48, 9 km s Der Brechungswinkel beträgt 48,9. Darstellen des Strahlenverlaufs: Totalreflexion ist die Erscheinung, dass beim Übergang des Lichtes von einem optisch dichteren Medium (z.b. Glas oder Wasser) in ein optisch dünneres Medium (z.b. Luft) ab einem bestimmten Einfallswinkel das Licht nicht mehr gebrochen, sondern vollständig an der Grenzfläche in das optisch dichtere Medium zurück reflektiert wird. Rechnerische Überprüfung für α= 50 : geg.: α= 50 ges.: β (Brechungswinkel) km s c = (Lichtgeschwindigkeit in leichtem Kronglas) km s c2 = (Lichtgeschwindigkeit in Luft) sin α sin β = c c 2 (Brechungsgesetz) Seite 6 von 9

17 sin α c2 sin β = c km s sin sin β = km s sin β = 5, > ( nicht lösbar) Der Brechungswinkel lässt sich nicht berechnen, weil der Sinus eines Winkels für Werte > nicht erklärt ist. Also wird diese Erscheinung eintreten, denn es gibt keinen Brechungswinkel Eine mögliche Anwendung der Totalreflexion sind Lichtleitkabel, die in zunehmenden Maße für die Informationsübertragung eingesetzt werden Darstellen des Strahlenverlaufs: (Maßstab auf dem Millimeterpapier: :4) Die Höhe der Kerzenflamme beträgt 0,9 cm; ihre Entfernung von der Linse ist 2 cm Bildentstehung im Auge: Seite 7 von 9

18 Hornhaut, Augenflüssigkeit, Augenlinse und Glaskörper bilden ein Linsensystem, das wie eine Sammellinse wirkt. Das einfallende Licht wird so gebrochen, dass auf der Netzhaut ein verkleinertes, wirkliches, umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild entsteht. Der Sehnerv leitet die auf der Netzhaut entstehenden Bilder zum Gehirn weiter. oder: Bildentstehung im otoapparat: Beim otoapparat befinden sich die Gegenstände, die abgebildet werden sollen, meist außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs. Das Objektiv besteht aus mehreren Linsen, die zusammen wie eine Sammellinse wirken. Das einfallende Licht wird so gebrochen, dass auf dem ilm ein verkleinertes, wirkliches, umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild entsteht. Seite 8 von 9

19 Hinweis: Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen des jeweiligen Autors und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösung. Seite 9 von 9