Abschlussprüfung Berufliche Oberschule 2016 Physik 12 Technik - Aufgabe II - Lösung. hat den

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1 athphy-onine Abchuprüfung Berufiche Oberchue 016 Phyik 1 Technik - Aufgabe II - Löung Teiaufgabe 1.0 Eektronen werden it der Gechwindigkeit v 0 enkrecht zur inken Begrenzunginie und enkrecht zu den Fedinien eine räuich begrenzten, hoogenen Magnetfed eingechoen (iehe Skizze). Die zeitich kontante agnetiche Fudichte B hat den Betrag B = 3.0T. Die Seitenänge der quadratichen Querchnittfäche beträgt a = 5.0c. Die Gechwindigkeit v 0 hat den Betrag v =. Die geate Anordnung befindet ich i Vakuu. Teiaufgabe 1.1 (4 BE) I Bereich de Magnetfede wirkt auf jede dieer bewegten Eektronen neben der Gewichtkraft eine zweite Kraft. Berechnen Sie die Beträge der beiden Kräfte und zeigen Sie, da die Gewichtkraft eine Eektron gegenüber der anderen Kraft in den fogenden Teiaufgaben vernachäigt werden kann. Gewichtkraft: F G = e g F G kg9.81 F G N gerundet: F G N Lorentzkraft: F L = q v 0 B = ev 0 B F L C T F L N E git: F G << F L, F G it ao vernachäigbar. AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 1 von 7

2 athphy-onine Teiaufgabe 1. (3 BE) Begründen Sie, da ich die kinetiche Energie eine Eektron bei einer Bewegung innerhab de Magnetfede nicht ändert. Auf ein Eektron wirkt a einzige Kraft die Lorentzkraft: F L = e v 0 B Da v 0 B git: F L v 0, F L verrichtet keine Arbeit a Eektron, ao ΔE kin = W = 0. Teiaufgabe 1.3 ( BE) Eräutern Sie, ob e bei dieer Anordnung ögich it, da Eektronen nach de Eintritt in da Magnetfed diee nicht ehr veraen. Die Eektronen treten ink in da Magnetfed, i Mittepunkt der Kreibahn aufgrund der Lorentzkraft. Sie bechreiben innerhab de Magnetfede eine vierte Kreibahn, üen ao da Magnetfed veraen. Teiaufgabe Die Eektronen bewegen ich innerhab de Magnetfede auf eine Kreibogen it de Radiu r. Teiaufgabe (6 BE) Berechnen Sie r und führen Sie eine Einheitenurechnung durch. e v 0 F L = F Z ev 0 B = r = r e v 0 eb kg r C310 3 r 0.04 T Einheitenurechnung: kg kg kg 1 = 1 1 kg = = 1 1 N = = 1 CT V A V J N A Teiaufgabe 1.4. (3 BE) Geben Sie an, an wecher Seite der Querchnittfäche der Eektronentrah au de Magentfed autritt und begründen Sie Ihre Antwort. a = 5.0c = 0.05 Da Eektron druchäuft eine Kreibahn it Radiu a Querchittfäche da Magentfed veraen. r a, u ao an der unteren Seite der AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite von 7

3 athphy-onine Teiaufgabe De Magnetfed au 1.0 o nun ein hoogene eektriche Fed it der zeitich kontanten Fedtärke E derart überagert werden, da die Eektronen au 1.0 i Einfubereich der Feder nicht abgeenkt werden. Teiaufgabe (5 BE) Fertigen Sie für den Fa eine Skizze an, weche die auf ein Eektron wirkenden Kräfte und die Richtungen der agnetichen Fudichte B owie der eektrichen Fedtärke E beinhatet und be- rechnen Sie den Betrag E der hierfür notwendigen eektrichen Fedtärke. Keine Abenkung, e u geten: F L = F e Für die Beträge git: F L = F e ev 0 B = ee E = v 0 B E V E V Teiaufgabe 1.5. (4 BE) Unter den eingechoenen Eektronen befinden ich auch hin und wieder einfach negativ geadene Fuorionen. Diee werden in die geiche Richtung eingechoen, ind aber angaer a die Eektronen und werden nun unittebar nach de Eintritt in den Einfubereich beider Feder betrachtet. Vergeichen Sie die an eine Fuorion angreifenden Kräfte it denjenigen Kräften, die auf ein Eektron wirken, hinichtich Betrag und Richtung. Eräutern Sie Ihre Auagen. Entcheiden Sie dait auch, ob die Fuorionen au ihrer urprüngichen Einchurichtung abgeenkt werden und geben Sie gegebenenfa die Abenkrichtung an. Die Gewichtkraft auf ein Fuorion it weiterhin gegenüber den retichen Kräften vernachäigbar. E wirken die Lorentzkraft und die eektriche Kraft auf da Fuorion. Die agnetiche Fudichte B und die eektriche Fedtärke E ind wie bei Eektron unverändert. Da nur die Lorentzkraft abhängig von der Gechwindigkeit it, git: v Fuor v 0 F L Fuor F L Die Abenkung de Fuorion erfogt nach oben. AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 3 von 7

4 athphy-onine Teiaufgabe.0 Ein Faden und eine keine Kuge it der Mae biden ein Fadenpende it der Pendeänge. Die Mae de Faden it vernachäigbar kein. Wird da Pende augeenkt und au der Ruhe herau ogeaen, o chwingt die Kuge in einer vertikaen Ebene u die Ruheage O hin und her (iehe Skizze). Reibungverute oen unberückichtigt beiben. Teiaufgabe.1 (7 BE) Weien Sie anhand eine Kräftepan nach, da da Fadenpende bei hinreichend keinen Auenkwinken φ haronich chwingt und für die Richtgröße D de Fadenpende git: D = g, wobei g der Betrag der Fabecheunigung it. F S F G F R : Spannkraft de Faden : Gewichtkraft der Kuge : Rücktekraft a reutierende Kraft Rücktekraft a Koponente der Gewichtkraft: F R = F G in( α) F R = gin( α) Bogenaß: α = einetzen: F R = gin Nun git für keine Winke die Näherung: in g Ao: F R = g ugetet: F R = = D AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 4 von 7

5 athphy-onine Teiaufgabe. ( BE) Betätigen Sie, da für die Periodendauer T der haronichen Schwingung eine Fadenpende git: T = π. g Schwingungdauer ungedäpfte haroniche Schwingung T = π D D einetzen: T = π = π g g Teiaufgabe.3.0 Die Kuge hat die Mae = 0g. die Pendeänge beträgt = 70c. Der Pendekörper wird nach ink augeenkt und zu Zeitpunkt t 0 = 0 au der Ruhe herau ogeaen. Die Kuge chwingt nun it der Apitude ax = 6.0c haronich. Teiaufgabe.3.1 (3 BE) Berechnen Sie die Periodendauer T dieer Schwingung und geben Sie die Zeit-Eongation-Geichung it eingeetzten Werten an. T π 0.70 T gerundet: T t () = 6.0cco π 1.7 t Teiaufgabe.3. (4 BE) Die kinetiche Energie E k der keinen Kuge it abhängig von der Zeit t. Berechnen Sie die axiae kinetiche Energie E k ax und geben Sie den Zeitpunkt t 1 an, zu de die kinetiche Energie E k zu zweiten Ma den Wert E k ax annit. π vt () 6.0c in π π = t v ax 6.0c v 1.7 ax 0. E k () t = 1 ( vt () ) = π kg6.0c in π t NR: π kg6.0c J 1.7 E k ax = 0.49J AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 5 von 7

6 athphy-onine kin. Energie in J T T Die axiae kinetiche Energie wird zu zweitena 3 zu Zeitpunkt t_ = 4 T = 1.3 erreicht Zeit t in Teiaufgabe.3.3 (4 BE) Bei Durchgang durch die Ruheage O beitzt die Kuge eine Gechwindigkeit it de Betrag v O c =. Der Faden übt auf die keine Kuge i Punkt O die Kraft F F au. Berechnen Sie den Betrag F F der Kraft F F. Bei Durchgang durch die Ruheage wirken die Gewichtkraft F G Zentrakraft. und die Fadenkraft F F a F F F G = F Z Für die Beträge git: F F F G kg 10 F F 0.70 = F Z F F = F Z F G = kg9.81 v O g F F N gerundet: F F 0.0 N AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 6 von 7

7 athphy-onine Teiaufgabe.4 (3 BE) Die keine Kuge it der Mae = 0g wird nun auf eine große Radfege aufgekebt. Die Fege hat den Radiu r = 70c und ohne Kuge die Mae F = 400g. Die Maen der Speichen und der Radnabe owie Reibungverute ind zu vernachäigen. Die Radfege wird o verdreht, da ich die Kuge bei = 6.0c befindet. Lät an die Radfege nun o, bewegt ie ich o, da die Kuge wideru haronich u die Geichgewichtage O hin- und herchwingt. Unteruchen Sie quaitativ, ob und gegebenenfa wie ich die Periodendauer T F dieer Schwingung von der Periodendauer T au.3.1 untercheidet. ge T Fege = π it D ge = F Fege ge kg kg ge 0.4 kg Die Richtgröße D Fege und die Richtgröße au.1 tien wegen r = überein. E git: ge T Fege T AP 016, Phyik 1. Kae, A II - Löung Seite 7 von 7