Beispielfragen und ein alter Test zur Zusatzprüfung Physik 1

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1 Beispielfragen und ein alter Test zur Zusatzprüfung Physik 1 FH Vorarlberg Klaus Rheinberger Die folgenden Seiten enthalten Beispiele, die Ihnen angeben, Fragen welchen Typs der Physiktest bei der Aufnahmeprüfung an die FH Vorarlberg enthalten könnte und welche konkreten Fragen er in einem der letzten Jahre enthalten hat. Inhaltsverzeichnis 1 Größen und Einheiten 1 2 Mechanik 2 3 Wärmelehre 2 4 Elektrizitätslehre 3 5 Schwingungen und Wellen 3 6 Optik 3 7 Test aus dem Jahr Größen und Einheiten 1. Beispiel: aus [KFES07, Aufgaben A2 und A4] (a) Zerlegen Sie die Einheit Watt in die SI-Basiseinheiten. 1

2 (b) Entscheiden Sie mittels einer Dimensionsbetrachtung, ob die Gleichung für die Fallgeschwindigkeit v = 2gh physikalisch richtig sein kann. Dabei bezeichnet g die Erdbeschleunigung und h die Höhe des Körpers. Begründen Sie Ihre Antwort. 2 Mechanik 2. Beispiel: Erläutern Sie die Aussagen der Newtonschen Axiome. 3. Beispiel: aus [Kur10, Mechanik Kinematik Übungsaufgabe 2] Ein Heißluft-Ballon steigt senkrecht auf. Seine konstante Steiggeschwindigkeit ist v 0 = 12 m s. In der Höhe h = 80 m über dem Erdboden wird ein kleiner Sandsack abgeworfen. Nach welcher Zeit t kommt der Sandsack auf dem Erdboden an? (Rechnen Sie für die Zahlenwerte vereinfachend mit g = 10 m ). s 2 4. Beispiel: aus [Kur10, Mechanik Kinematik Übungsaufgabe 4] Ein Fahrzeug beschleunigt im Zeitintervall t = 10 s konstant von einer Anfangsgeschwindigkeit v A = 80 km h auf eine Endgeschwindigkeit v E = 120 km h. Welche Wegstrecke s legt das Fahrzeug dabei zurück? 5. Beispiel: aus [Kur10, Mechanik Grundgesetze der klassischen Mechanik Übungsaufgabe 6] Eine schwere Last soll an einem Stahlseil hochgezogen werden. In Ruhestellung zeigt ein Kraftmesser eine Gewichtskraft von F G = N an. Die zulässige Höchstbelastung des Seils beträgt F max = 10 5 N. Bestimmen Sie die größte zulässige Beschleunigung a max beim Hochziehen der Last. 3 Wärmelehre 6. Beispiel: aus [TM06, Beispiel 18.1] Welche Wärmemenge ist nötig, um 3 kg Kupfer um 20 Grad Celsius zu erwärmen? (Die spezifische Wärmekapazität von Kupfer ist 0,386 kj kg 1 K 1 7. Beispiel: aus [KFES07, Aufgabe D19] (a) Aus einer Druckflasche mit einem als ideal modellierten Gas (10 Liter, 70 bar) werden Behälter von 3 Liter Volumen bei Raumtemperatur zu einem Fülldruck von 5 kpa gefüllt. Für wieviele Füllungen reicht die Druckflasche? (b) Welcher Druck baut sich in der Druckgasflasche (50 bar, 22 Grad Celsius) auf, wenn sie in der prallen Sonne (40 Grad Celsius) steht? 2

3 4 Elektrizitätslehre 8. Beispiel: aus [TM06, Beispiel 25.7] Ein Ohmscher Widerstand mit R = 11 Ω ist mit einer Batterie verbunden (Quellenspannung 6 V (d. h. ohne Innenwiderstand), Innenwiderstand 1 Ω). (a) Zeichenen das zugehörige Schaltbild. (b) Berechnen Sie den Strom im Stromkreis, die Klemmspannung der Batterie (d. h. mit Innenwiderstand), die von der Spannungsquelle abgegebene Leistung, die am (äußeren) Ohmschen Widerstand umgesetzte Leistung und die am Innenwiderstand umgesetzte Leistung. (c) Wie viel Energie ist in der Batterie gespeichert, wenn sich auf der Verpackung die Angabe 150 Ah findet? 9. Beispiel: Erläutern Sie das Induktionsgesetz. 5 Schwingungen und Wellen 10. Beispiel: aus [TM06, Beispiel 14.1] Sie befinden sich in einem Boot, das sich auf und nieder bewegt. Diese vertikale Verschiebung y des Boots ist durch ( 1 y = 1,2 m cos 2 s t + π ) 6 gegeben. (a) Finden Sie die Amplitude in m, die Frequenz in Hz und die Schwingungsdauer in s. (b) Wo befindet sich das Boot bei t = 1 s. 11. Beispiel: Erklären Sie die Begriffe konstruktive und destruktive Interferenz. 6 Optik 12. Beispiel: aus [KFES07, Aufgabe H1] Licht eines Helium-Neon-Lasers (632 nm) fällt unter 45 Grad auf die Oberfläche einer Flüssigkeit und wird dabei von der Einfallsrichtung um 15 Grad abgelenkt. (a) Wie groß ist die Brechzahl der Flüssigkeit? (b) Wie groß sind Lichtgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge in der Flüssigkeit? 3

4 13. Beispiel: Warum hat ein Regenbogen unterschiedliche Farben? 7 Test aus dem Jahr Beispiel: Kinematik (20 Punkte von 100) Eine ballistische Rakete wird zum Zeitpunkt Null mit einer Geschwindigkeit von 490 m/s senkrecht nach oben abgefeuert. Die Rakete wird von Beginn ihrer Steigbewegung an als Wurfgeschoss betrachtet. Luftwiderstand wird vernachlässigt. Man berechne (a) die Steigzeit der Rakete bis zur maximal erreichten Höhe, (b) die maximale Höhe, (c) die Momentangeschwindigkeiten nach 40 s und nach 60 s, (d) die Flugzeiten, nach jenen die Rakete eine Höhe von 7840 m erreicht. Lösung: siehe [Stra, Aufgabe 20] 2. Beispiel: Mechanik (12 Punkte von 100) Welche Kraft muß auf eine Masse von 2 kg auf der Erdoberfläche senkrecht nach oben ausgeübt werden, damit diese (a) mit einer Beschleunigung von (nur) 3 m/s 2 fällt, (b) sich mit der Beschleunigung 3 m/s 2 nach oben bewegt? Lösung: siehe [Stra, Aufgabe 60] 3. Beispiel: Arbeit (14 Punkte von 100) Eine anfänglich durch die Kraft F 1 = 1 N gedehnte Schraubenfeder (Federkonstante k) wird um weitere 10 cm gedehnt. Dazu ist die Arbeit W = 0,55 J aufzuwenden. (a) Welche Auslenkung x 1 wies die Feder anfänglich auf? (b) Wie groß sind die Federkonstante k und die Endkraft F 2? Lösung: siehe [Stra, Aufgabe 118] 4. Beispiel: Wärmelehre (12 Punkte von 100) (a) Warum ändert zb Wasser beim Erhitzen seinen Aggregatszustand von fest zu flüssig bzw. von flüssig zu gasfömig? (b) Warum ist es sinnlos, die Kühlschranktür offen zu halten, wenn man bei heißem Wetter die Küche kühlen will? 5. Beispiel: Gleichstrom (12 Punkte von 100) Berechnen Sie (a) den Innenwiderstand R i einer Spannungsquelle mit der Quellspannung (=Urspannung) U 0 = 15 V, die beim Einschalten des Außenwiderstandes R a = 1,8 Ω einen Strom von I = 7,5 A abgibt, und 4

5 (b) die Stromstärke des maximal möglichen Stromes, d. h. des Kurzschlußstromes. Lösung: siehe [Strb, Aufgabe 533] 6. Beispiel: Elektrizität, Magnetismus (12 Punkte von 100) (a) Eine positive Ladung wird in einem elektrischen Feld aus der Ruhe losgelassen. Bewegt sie sich in ein Gebiet mit höherem oder niedrigerem Potenzial? Begründen Sie Ihre Antwort. (b) Was kann man über das elektrische Feld in einem Raumgebiet aussagen, in dem das elektrische Potenzial überall konstant ist? (c) Vergleichen Sie elektrische und magnetische Feldlinien. Erläutern Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede. 7. Beispiel: Wellenoptik (18 Punkte von 100) Eine Lichwelle der Wellenlänge λ L = 750 nm (in Luft) trifft unter dem Einfallswinkel α L = 45 auf eine Glasscheibe mit der Brechzahl n = 1,5 und geht durch sie hindurch. (a) Wie groß ist die Lichtgeschwindigkeit c G in der Scheibe? (b) Welche Frequenz und Wellenlänge hat die Welle in der Scheibe und hinter der Scheibe (wieder in Luft)? (c) Unter welchem Winkel tritt die Welle in die Scheibe ein und unter welchem Winkel verlässt sie die Scheibe? Lösung: siehe [Strb, Aufgabe 846] Literatur [KFES07] Peter Kurzweil, Bernhard Frenzel, Jürgen Eichler, and Bernd Schiewe. Physik Aufgabensammlung: für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Vieweg+Teubner, 1 edition, [Kur10] Günther Kurz. Brückenkurs Physik [Stra] [Strb] [TM06] Heribert Stroppe. Physik. Beispiele und Aufgaben 1: Mechanik - Wärmelehre: Band 1: Mechanik - Wärmelehre. Hanser Fachbuchverlag, 3., akt. aufl. edition. Heribert Stroppe. Physik. Beispiele und Aufgaben 2: Elekrizität und Magnetismus - Schwingungen und Wellen - Atom- und Kernphysik: Band 2: Elektrizität und Magnetismus - Schwingungen und Wellen - Atom- und Kernphysik. Hanser Fachbuchverlag, 3., akt. aufl. edition. Paul A. Tipler and Gene Mosca. Physik Für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag, 2 edition,