Aufgaben zur Einführung in die Physik 2 (Ergebnisse)

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1 Aufgaben zur Einführung in die Physik 2 (Ergebnisse) SS Oktober Wiederholung: Einfache elektrische Schaltungen, elek- trischer Strom und elektrische Stromstärke 1. (s. Vorlesung) 2. z. B. 3. (a) Die Verkehrsstromstärke ist der Quotient aus der Zahl der Autos, die an einer Stelle vorbeifahren, und der dazu gehörenden Messzeit. (b) Von der Anzahl der Fahrspuren, der Geschwindigkeit der Autos und dem Abstand der Autos (c) Schneller fahren oder den Abstand verringern (d) Wasser muss schneller fließen. 4. (a) Lampe 1 wird heller, Lampe 2 wird dunkler. Lampe 2 und Lampe 3 leuchten gleich hell. (b) (s. Skript) 5. (a) Die Stromstärke ist in beiden Lampen gleich groß. (b) 1. Die beiden Lampen vertauschen. 2. Eine dritte Lampe oder ein Amperemeter vor, zwischen und hinter die beiden Lampen in den Stromkreis schalten. 1

2 (c) An der Dicke, der Länge und dem Material der Glühdrähte. Oder an der Art, wie die Glühdrähte aufgewickelt sind. 6. (a) Der dünnere Draht wird heißer und leuchtet deshalb heller. Vor und hinter der Engstelle glüht der Draht gleich hell. (b) Die Stromstärke ist an allen Stellen gleich groß. (c) In der Engstelle fließt die Ladung schneller. (d) Die Aufweitung leuchtet weniger hell; die elektrische Ladung fließt dort langsamer. 1 Wiederholung: Elektrische Ladung und elektrische Stromstärke 1. (a) nein (b) - (c) ja (d) kleiner 2. (a) A > C > B > D = E (b) i. Lampe A: im unverzweigten Teil des Stromkreises, Lampe E: direkt vor (oder hinter) der Lampe ii. I B = 0.5A I C = 1.0A I D = 0.25A 3. (a) Alle Lämpchen werden dunkler. Die zusätzliche Lampe stellt eine zusätzliche Engstelle dar, durch die die Strömung im unverzweigten Teil des Stromkreises und damit überall! kleiner wird. (b) Lampe 2 wird dunkler (weil die Strömung im entsprechenden Teilzweig stärker behindert wird), Lampe 3 wird dunkler, weil die Strömung im unverzweigten Teil durch die Parallelschaltung stärker behindert wird, Lampe 1 wird heller (ohne Spannungsbegriff schwierig zu begründen).) 4. 1) 2A, 2) 0.5A, 3) 6A 5. (a) I 2 = 1.5A (b) I 2 = 1.5A, I ges = 1.9A 2 Einführung des Spannungsbegriffs 1. (a) durch Schaltung eines Voltmeters parallel zu den Anschlussbuchsen der Quelle: Die Quelle, die die größere Stromstärke erzeugt, hat die größere Spannung. (b) durch Anschluss einer Glühlampe und eines Amperemeters in Reihe: Die Quelle, die die größere Stromstärke erzeugt, hat die größere Spannung. 2

3 (c) durch Anschluss nur einer Glühlampe: Die Quelle, die die Lampe heller zum Leuchten bringt, hat die größere Spannung. (d) Wenn man die beiden Quellen gegeneinander schaltet, bestimmt die Quelle mit der größeren Spannung die Stromrichtung, also die Richtung des Ausschlages eines in den Stromkreis eingeschalteten Amperemeters ( Kräftemessen ). 2. Bei zwei (mit richtiger Polung!) hintereinander geschalteten Batterien ( Pumpen ) durchläuft das Wasser ( jedes Liter ) nacheinander zwei Pumpen, wird also doppelt angetrieben. Bei parallel geschalteten Pumpen durchläuft das Wasser ( jedes Liter ) dagegen nur eine der beiden Pumpen, wird also auch nur einmal angetrieben. 3. links: U = 4.5V, rechts: U = 1.5V 4. 3 Spannung und Widerstand 1. (a) R 1 = 529Ω, R 2 = 2116Ω (b) R ges = 423Ω (c) 1 R ges = 1 R R 2 2. (a) Der Gesamtwiderstand ist größer als 2116Ω. (b) Die 25W -Lampe leuchtet heller als die 100W -Lampe. 4 Stromkreisgesetze 1. (a) Wenn man das Lämpchen an eine Quelle mit der Spannung U = 4V anschließt, hat es einen Widerstand von R = 80Ω. (b) Er misst einen kleineren Widerstandswert. (c) Die Stromstärke wird größer als 25mA sein. 2. (a) (b) (c) Gerät 1 könnte Glühlampe sein, Gerät 2 ist ein ohmscher Widerstand. 3. U < 60V, sollte aber kleiner als 40V sein. 4. Die Anzeige 1mA (2mA, 3mA) zeigt eine Spannung von 200V (400V, 600V ) an. 3

4 5 Energieübertragung durch elektrischen Strom 1. P = 37.5W, U Q = 75V 2. (a) P = 150W (b) E = kW h 3. (a) am kleineren Widerstand (b) am größeren Widerstand 4. I ges = 11A 6 Energiemessungen (a) P 1 = 0.36W, P 2 = 0.18W P 1 = 0.36W, P 2 = 0.18W, P ges = 0.54W P 1 = 0.04W, P 2 = 0.08W, P ges = 0.12W (b) P parallel > P Reihe (c) parallel: am 100Ω-Widerstand, Reihe: am 200Ω-Widerstand (d) parallel: P 1 P 2 = R 2 R 1, Reihe: P 1 P 2 = R 1 R 2 4. E = 175.2kW h = 26 Euro. 5. (a) halb so lange (b) E = 411kW s (c) Topf und Umgebungsluft werden auch erwärmt. 7 Der physikalische Energiebegriff kWh Für das Vollbad ist die Energie 21MJ 6kW h erforderlich, für die etwa 1,20 Euro gezahlt werden müssen. 4

5 8 Lageenergie und ihre Messung 1. (b) ist richtig. 2. (a) ϑ = 0.12K (b) ϑ = 0.12K (c) 3. (a) ϑ = 0.002K (b) h = 427m 4. (a) P = 109W (b) P = 5518W 9 Lageenergie und Bewegungsenergie 1. (s. PPP Die Energie der Lage ) 2. (a) Die Kugel, die den steileren Hand hinunter rollt. (b) Beide Kugeln sind gleich schnell. 3. (a) v = 4.43 m s (6.26 m s ) (b) h = 5.1m (c) h = 1.27m (d) v = 2g h = 4. ϑ = 20K 2g(h 0 h) 10 Energieerhaltung Gleichgewicht und Hebel 2. z. B. Wippe, Kneifzange, Schraubenzieher, Türklinke, Kettenschaltung 4. Die Stellen müssen so gewählt werden, dass F 1 l 1 + F 2 l 2 = F 3 l 3 + F 4 l 4 gilt. 5

6 12 Gleichgewicht und Hebel 1. F a = 3 5 F = 3N, F b = 5N, F c = 15N, F d = 7.5N, F e = 15 4 N 2. Dadurch, dass man den Drehpunkt im Stab etwas nach oben verschiebt. 4. F S = 17.4kN 13 Hebel und Drehmomente am Fahrrad 1. Das Drehmoment an Wellrad 2 ist 8-mal so groß wie an Wellrad 1, das Drehmoment an Wellrad 3 ist 24-mal so groß wie das an Wellrad 1. Für jede Umdrehung von Wellrad 2 (3) muss sich Wellrad 1 8-mal (24-mal) drehen. 2. (a) links: F = 10N, rechts: F = 30N (b) links: 3-mal Umfang des Rades, rechts: 1-mal Umfang des Rades 3. (a) F = 20N (b) i. Die Kraft wird kleiner. ii. Die Kraft wird ebenfalls kleiner. iii. Die Kraft wird größer. 6