Physik 1 (GPh1) am

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1 Nae: Matrikelnuer: Studienfach: Phyik 1 (GPh1) a Fachbereich Elektrotechnik und Inforatik, Fachbereich Mechatronik und Machinenbau Zugelaene Hilfittel zu dieer Klauur: Beiblätter zur Vorleung Phyik 1 ab WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. i.v. Lütticke, Prof. Alber) ohne Veränderungen oder Ergänzungen, Tachenrechner (ohne drahtloe Übertragung it einer Reichweite von größer al 30 c wie Funkode, IR-Sender, Bluetooth), kein PDA oder Laptop. Dauer: Stunden Maxial erreichbare Punktezahl: 100. Betanden hat, wer indeten 50 Punkte erreicht. Bitte beginnen Sie die Löung der Aufgabe unbedingt auf de betreffenden Aufgabenblatt! Fall Sie weitere Blätter benötigen, üen diee unbedingt deutlich it der Aufgabennuer gekennzeichnet ein. AUFGABE MÖGLICHE PUNKTZAHL 1 a 6 1 b 8 1 c 10 a 10 ba 3 bb 3 bc 4 bd 4 3 a 8 3 b 8 3 c 8 4 a 4 4 b 4 4 c 4 4 d 4 4 e 4 4 f 4 For 4 Geat 100 ERREICHTE PUNKTZAHL Achtung! Bei dieer Klauur werden pro Aufgabe 1 Punkt für die For (Gliederung, Lebarkeit, Rechtchreibung) vergeben! Bitte kennzeichnen Sie diee Blatt und alle weiteren, die Sie verwenden, it Ihre Naen, Ihrer Matrikelnuer und Ihre Studienfach. Seite 1 von 10

2 1. Phyikaliche Kleinigkeiten a) Einheiten 1. Die Reynoldche Zahl Re it al reiner Zahlenwert dienionlo. Sie it definiert al Re =Rρv/η Dabei it R die charakteritiche Länge de Körper, ρ die Dichte de tröenden Mediu, v die Relativgechwindigkeit zwichen Körper und Mediu und η die dynaiche Vikoität de Mediu. Wie lät ich die abgeleitete Einheit der dynaichen Vikoität durch SI-Baieinheiten audrücken? o kg 1 o kg o kg 1 o kg 1 1 o gar nicht. Au de Newtonchen Gravitationgeetz folgt für den Betrag der Bechleunigung a eine Körper (Mae ) nahe der Oberfläche eine Planeten (Mae M, Radiu RP) a = γ M / R P Welche abgeleitete Einheit augedrückt in SI-Baieinheiten hat die Gravitationkontante γ? o 3 kg 1 1 o 3 kg 1 o o kg o Keine der Genannten. 3. In der Mechanik gilt die Proportionalität F a oder ander foruliert F = Cont. a Newton hat die Proportionalitätkontante it 1 fetgelegt, dait wird F eine abgeleitete SI- Einheit. Wenn an aber die Einheiten der linken und der rechten Seite unabhängig voneinander definiert, u die Proportionalitätkontante experientell betit werden. Welche Einheit hätte diee Proportionalitätkontante in einer Märchenwelt, in der König folgende Einheiten fetgelegt hat? Kraft [F] = Max Mae [] =Moritz Länge [] = Rapunzel Zeit [t] = Dornröchen o Cont. = Moritz Dornröchen / (Max Rapunzel ) o Cont. = Moritz Dornröchen / (Max Rapunzel ) o Cont. = Max Dornröchen / (Moritz Rapunzel) o Cont. = Max Rapunzel / (Moritz Dornröchen) o Keine der Genannten Seite von 10

3 b) 1. Bei eine Flugzeug wird der Schub it kg angeben. It diee phyikalich o korrekt? Begründen Sie Ihre Antwort. Nein. Schub it eine Kraft und keine Mae!. Eine Tüte Bonbon wiegt 100 g. It diee denn phyikalich o korrekt (Begründung)? Nein. Gewicht it auch eine Kraft! 3. Da Schiff hat eine große Bechleunigung. It diee phyikalich o korrekt? Begründen Sie Ihre Antwort. Ja. Zahlenäßig groß! 4. Ein Gewichtheber leitet viel Arbeit bei Halten der Gewichte. It diee phyikalich o korrekt? Begründen Sie Ihre Antwort. Nein. Da bei der Arbeit Weg verrichtet werden u! c) Antworten und begründen (!) Sie in zwei bi drei Sätzen 1. Wenn eine Stahl- und eine Wachkugel (beide gleiche Größe) in einer Vakuuröhre i Phyiklabor der HS Bochu gleichzeitig logelaen werden und Richtung Boden fallen, welche kot zuert a Boden an? Keine! Koen beide gleichzeitig an.. Der Mond ukreit die Erde. Waru fällt der Mond nicht auf die Erde? Weil e ein Gleichgewicht zwichen Erdanziehung und Fliehkraft gibt. 3. Ein Elefant auf de Mond it chwer, leichter oder gleich chwer wie auf der Erde? Leichter, da die Mae de Monde kleiner it. 4. Ziehen ich zwei Körper überall i Weltrau gegeneitig an? Ja. Gravitation it unabhängig von irgendwelchen Trägerubtanzen. 5. Gibt e auch nicht kontante Bechleunigungen? Wenn ja, nennen Sie ein Beipiel. Ja. Eine Rakete, die ehr chnell den Treibtoff verbrennt. Seite 3 von 10

4 . Mühen und Arbeit a) Welche 5 Auagen ind zutreffend? (Setzen Sie nur 5 Kreuze. Für jede Kreuz ehr wird ein Punkt abgezogen!) (10Punkte) o Wird ein Körper gegen eine Kraft bewegt, o wird Arbeit verrichtet. o Kräfte, die enkrecht auf der Verchiebung tehen F y, leiten eine Führungarbeit. o Die Arbeit it eine vektorielle Größe. o Die Arbeit ergibt ich au der Fläche unter de Kraft-Weg-Diagra. o Die Einheit der Leitung it J (Joule). o Die Energie kennzeichnet die Fähigkeit eine Körper oder Syte, Arbeit zu verrichten. o Die potentielle Energie it nur vo Weg abhängig. o Die potentielle Energie it nur bi auf eine Kontante betit. o Die Bechleunigungarbeit, die an eine Körper geleitet wird, it gleich der Differenz der kinetichen Energien von End- und Anfangzutand. o Auch wenn nichtkonervative Kräfte wirken, bleibt die echaniche Geatenergie (E = E pot + E kin ) erhalten. b) Eine 4 kg chwere Kite wird au der Ruhepoition herau von einer aufwärt gerichteten Kraft von 60 N eine Strecke von 3 nach oben gezogen. Anchließend wird die Kraft augechaltet. a) Betien Sie die von der eingeetzten Kraft verrichtete Arbeit! (3 Punkte) b) Betien Sie die von der Gravitation verrichtete Arbeit! (3 Punkte) c) Berechnen Sie die Endgechwindigkeit der Kite direkt nach de abchalten der Kraft! (4 Punkte) d) Berechnen Sie die Gechwindigkeit der Kite, wenn ie wieder auf de Boden aufchlägt! (4 Punkte) Muterlöung: a) o Wird ein Körper gegen eine Kraft bewegt, o wird Arbeit verrichtet. o Kräfte, die enkrecht auf der Verchiebung tehen F y, leiten eine Führungarbeit. o Die Arbeit it eine vektorielle Größe. o Die Arbeit ergibt ich au der Fläche unter de Kraft-Weg-Diagra. Seite 4 von 10

5 o Die Einheit der Leitung it J (Joule). o Die Energie kennzeichnet die Fähigkeit eine Körper oder Syte, Arbeit zu verrichten. o Die potentielle Energie it nur vo Weg abhängig. o Die potentielle Energie it nur bi auf eine Kontante betit. o Die Bechleunigungarbeit, die an eine Körper geleitet wird, it gleich der Differenz der kinetichen Energien von End- und Anfangzutand. o Auch wenn nichtkonervative Kräfte wirken, bleibt die echaniche Geatenergie (E = E pot + E kin ) erhalten. b) a) Betien Sie die von der eingeetzten Kraft verrichtete Arbeit! (3 Punkte) W = F co θ Δx = 60N co0 Δ3 = 180J b) Betien Sie die von der Gravitation verrichtete Arbeit! (3 Punkte) N W = g coθ Δx = 4kg 9,81 co180 Δ3 = 118J kg c) Berechnen Sie die Endgechwindigkeit der Kite direkt nach de abchalten der Kraft! (3 Punkte) 1 6J W g = 180J 118J = 6J = v v = = 5, 57 4kg d) Berechnen Sie die Gechwindigkeit der Kite, wenn ie wieder auf de Boden aufchlägt! (3 Punkte) h t g Fall = 3 + = 1 h gt g 9,81 t = v g = 0,97 5,57 = 9,81 = 0,568 h = 3 + v = g t = 9,81 0,97 = 9,48 g 1 9,81 ( 0,568) = 4,58 Seite 5 von 10

6 3. Pular Ein Stern it Radiu r 1 = 10 6 k einer Mae von = 1, kg (Sonnenae) und einer Rotationdauer von 1 Monat wandelt ich a Ende einer Lebenzeit in einen gleichchweren Pular it nur noch r = 0 k Radiu u. a) Berechnen Sie deen Ulaufzeit unter der Annahe der Drehipulerhaltung! b) Welche Rotationenergie hat der Stern? c) Welchen Wert würde an für die Ulaufzeit unter a) erhalten, wenn ich die Mae nicht hoogen verteilt, ondern bi zu halben Radiu die doppelte Maendichte vorhanden wäre? (Die Mae oll entprechend zunehen.) (einige Maenträgheitoente: I Zylinderantel = ½ (R i ²+R a ²); I Punktae = R²; I Kugel = (/5) R²; I Zylinder = ½ R² (Rotation u Zylinderache); I Quader =(1/1)(a +b ) (Rotationache enkrecht zur Oberfläche durch den Mittelpunkt)) Seite 6 von 10

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9 4. Reifen Ein Reifen rollt au der Ruhe herau eine Rape herunter. Die Rape ei 4 lang und der Neigungwinkel (d.h. Winkel zwichen Rape und Ebene) ei 60º. Die Reibung ei vernachläigbar. Die Dicke de Reifen ei 5 c, ein Außendurcheer 60 c, ein Innendurcheer 40 c und eine Mae 7 kg. Die Gechwindigkeit de Reifen a Ende der Rape betrage 6,8 /. a) Wie groß it der Betrag der Winkelgechwindigkeit de Reifen a Ende der Rape? b) In Richtung einer Tranlationbewegung wird der Reifen nach der Rape durch Reibung auf einer ebenen Fläche kontant it -0,53 /² bechleunigt, d.h. er wird gebret. Nach welcher Zeit bleibt der Reifen tehen? c) Welche Strecke legt der Reifen vo Ende der Rape bi zu eine Stehenbleiben zurück? d) Wie viele Udrehungen hat der Reifen vo Ende der Rape bi zu eine Stehenbleiben geacht? e) It die Winkelbechleunigung ab Ende der Rape bi zu eine Stehenbleiben gleich 0 oder ungleich 0? Begründen Sie? f) It die Noralbechleunigung de Reifen ab Ende der Rape bi zu eine Stehenbleiben kontant oder nicht? Begründen Sie? Löung a) ω = v/ raußen ω = (6,8 /) / (0,3 ) = 0,9 1/ b) v = 0 = a * t + v0 t = - v0/a = -(6,8 /)/ (-0,53 /²) = 11,849 11,8 c) = ½ a * t² + v0 * t = ½ v0 * t = ½ * (6,8 /) * 11,849 = 37,06 37, (it gerundete Wert für t: = 37,05 ) d) Anzahl_U = / Ufang_Reifen = / (π * raußen) = 37,06 / (π * 0,3 ) = 19, Der Reifen hat 19.7 Udrehungen vollführt. e) Die Winkelbechleunigung it ungleich 0, weil die Winkelgechwindigkeit abnit, da der Reifen gebret wird. f) Die Noralbechleunigung an it nicht kontant, weil die Winkelgechwindigkeit abnit und an ~ ω². Seite 9 von 10