GYMNASIUM MUTTENZ MATURITÄTSPRÜFUNGEN 2009 TITEL EF:

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1 GYMNASIUM MUTTENZ MATURITÄTSPRÜFUNGEN 2009 FACH: TITEL EF: Physik Vorbereitung auf Haupt- und Nebenfachstudium Examinator/Examinatorin: Experte/Expertin: Bestimmungen Lösungen - Rechnungsaufgaben sind so zu lösen, dass der Weg zum Resultat aus der Herleitung nachvollziehbar ist. - Wo nicht anders verlangt, beträgt die Präzision in Rechnung und Resultat drei signifikante Ziffern. - Numerische Resultate, die direkt, also ohne Rechnung ermittelt werden können, sind stichwortartig zu begründen. - Textantworten müssen einsichtig, physikalisch stichhaltig begründet und sprachlich vertretbar formuliert sein. Bewertung - Die Punktzahl steht hinter jeder (Teil-)Aufgabe in Klammern. - Für die Ermittlung der erreichten Punktesumme werden alle Aufgaben herangezogen. - Die Benotung erfolgt aufgrund der Formel: Note = Punktesumme, wobei mathematisch auf halbe Noten gerundet wird und keine Noten über 6 gesetzt werden. Hilfsmittel: Taschenrechner Mathematische Formelsammlung Physikalische Formelsammlung Aufgabe 1

2 Die Lokomotive GE 4/4 der Rhätischen Bahn hat eine Masse von 62.0 t. Die Reisewagen der Bahn haben bei durchschnittlicher Belegung durch Passagiere eine Masse von 16.0 t. Die Rollreibzahl zwischen Rädern und Schiene beträgt Der Luftwiderstand soll bei den folgenden Berechnungen nicht berücksichtigt werden. a) Wie gross muss die Zugkraft der Lokomotive sein, wenn der Zug aus Lokomotive und 6 Reisewagen besteht und mit konstanter Geschwindigkeit auf waagrechter Strecke fährt? (2) b) Der gleiche Zug soll in der Ebene mit m/s 2 beschleunigt werden. Wie gross ist die dafür notwendige Kraft? (2) c) Wie gross ist die konstante, maximale Geschwindigkeit des gleichen Zuges bei der Steigung von 6.00% (grösste Steigung auf der Berninastrecke) bei der Aufwärtsfahrt, wenn die zugeführte Leistung an die Lokomotive 2100kW und der Wirkungsgrad betragen? (3) d) Wie gross wäre der Bremsweg des Zuges, bei der Talfahrt mit 60 km/h bei der gleichen Stelle, wenn alle Räder der Lokomotive und der Reisewagen blockiert wären und die Gleitreibzahl zwischen Schiene und Rädern beträgt? (3) Aufgabe 2 Ein Kondensator der Kapazität 100 µf wird auf 50.0 V aufgeladen und zum Zeitpunkt t = 0 s an eine Spule mit der Induktivität H angeschlossen. a) Geben Sie die Einheit H mit den Grundeinheiten des internationalen Einheitensystems (SI) an. (1) b) Welche maximale Energie wird in der Spule gespeichert? (2) c) Wann erreicht die Energie in der Spule zum ersten Mal das Maximum? (2) d) Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung U und der Stromstärke I über eine Periode! (4) Aufgabe 3 Bei einem Karussell sind die Sessel an 6.00 m langen Ketten befestigt. Die Sessel schwingen bei der Fahrt so weit aus, dass der Winkel zwischen der Kette

3 und der Vertikalen 18.0 beträgt. 3m 6m 18 10m a) Wie gross ist die Kraft auf die Kette, wenn Sessel und Person im Sessel eine Masse von 110 kg haben? (2) b) Wie gross ist die Geschwindigkeit des Sessels? (3) c) Die Person im Sessel lässt während der Fahrt eine Münze fallen. Wie weit entfernt von der Mittelstütze des Karussells ist die Münze auf den Boden gefallen. Gehen Sie davon aus, dass die Münze vom Mittelpunkt des Sessels zu fallen beginnt. (4) Aufgabe 4 Im menschlichen Körper gibt es dauernd radioaktive Zerfälle.

4 Verursacht wird die innere Bestrahlung unter anderem durch radioaktives Kalium. Auf der Erde besteht Kalium hauptsächlich aus den stabilen Isotopen K-39 und K-41 und dem radioaktiven Isotop K-40. K-40 hat beim natürlich vorkommenden Kalium einen Anteil von %. K-40 zerfällt durch Emission von Betastrahlen mit einer Halbwertszeit T 1/2 = a. Kalium kommt häufig in Milch, Milchprodukten, Gemüse, Früchten und Getreide vor. Eine Banane von 200 g enthält g Kalium. a) Wie viele K-40 Kerne sind in einer Banane enthalten? (2) b) Wie gross ist die vom Kalium verursachte Aktivität einer Banane? (2) c) Wie viele radioaktive Zerfälle pro Sekunde gibt es durch das im Menschen m= 70.0 kg) enthaltene Kalium, wenn die Häufigkeit des Kaliums % der Masse beträgt? (2) d) Der Anteil des K-40 musste früher grösser als % gewesen sein. Wie gross war der Anteil zum Zeitpunkt der Erdbildung vor 4.6 Milliarden Jahren? (3) Aufgabe 5 a) Weisses Licht einer Glühlampe kann mit einem Glasprisma oder mit einem optischen Gitter in seine Spektralfarben zerlegt werden. Wie unterscheiden sich die beiden Spektren? Welche Ursachen sorgen für das Auftreten der Spektren? (3) b) Ein Meteor kommt ohne nennenswerte Anfangsgeschwindigkeit in den Anziehungsbereich der Sonne und fällt auf diese zu. Wie gross ist dann die Geschwindigkeit des Meteors, wenn er sich im Abstand der Erde von der Sonne ( m) befindet? Masse der Sonne : kg (3) c) Es stehen Kondensatoren der Kapazität 100 µf zur Verfügung. Wie lassen sich durch Kombinationen Kapazitäten von a) 300 µf b) 25 µf c) 75 µf (3) herstellen? d) In einem Crashtest stösst ein Auto auf eine dicke Betonwand und bleibt demoliert stehen. Was ist mit der kinetischen Energie und mit dem Impuls des Autos passiert? (2)

5 e) Ein positiv geladenes Teilchen wird in ein senkrecht dazu stehendes, homogenes, elektrisches Feld eines Plattenkondensators geschossen. Auf welcher Bahnform bewegt sich das geladene Teilchen in Feld? (1) Wie bewegt es sich weiter, nachdem es das Feld verlassen hat? (1) Wie müsste ein homogenes Magnetfeld, das die Ablenkung im Kondensatorfeld rückgängig machten könnte, ausgerichtet sein (2) Fertigen Sie eine Skizze an und erklären Sie!