Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 2000/2001

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1 Abschlussprüfung an Fachoberschulen im Schuljahr 2000/2001 Haupttermin: Nach- bzw. Wiederholtermin: Fachrichtung: Technik Fach: Physik Prüfungsdauer: 210 Minuten Hilfsmittel: Formelsammlung/Tafelwerk ohne handschriftliche Eintragungen Taschenrechner (nicht programmierbar, ohne Grafikdisplay) Zeichengeräte, Millimeterpapier Aufgabenschwerpunkte: Aufgabe 1 Mechanik fester Körper Aufgabe 2 Elektrische und magnetische Felder, elektromagnetische Induktion Aufgabe Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 0 Aufgabe Wärmelehre/Thermodynamik 0 Bemerkungen: Jeder Schüler hat die Aufgaben 1 und 2 sowie eine der Aufgaben oder zu lösen. Die Auswahl der Wahlaufgabe trifft der Schüler. Bei einigen Aufgaben sind Zwischenergebnisse angegeben. Diese dienen zur Kontrolle Ihrer Rechnung und können für die Folgeaufgaben verwendet werden, wenn Ihr Ergebnis falsch sein sollte.

2 2 Aufgabe 1 Mechanik fester Körper Ein PKW mit der Masse 1,2 t und der Leistung,2 kw erhöht seine Geschwindigkeit von 20 km/h auf 90 km/h. Die Beschleunigung beträgt dabei 1, m/s Berechnen Sie die Zeit, den Weg, die Kraft und die aufgewandte Arbeit für diesen Beschleunigungsvorgang! [, 10 J] 1.2 Welche Benzinmenge in ml wird für diesen Beschleunigungsprozess bei einem Heizwert von MJ/l benötigt, wenn der Wirkungsgrad 21% beträgt? 1. Ein Lkw fährt mit 70 km/h an einem Punkt A vorüber. 2 min später passiert ein Pkw diese Stelle mit 90 km/h. Nach welcher Zeit hat der Pkw den Lkw eingeholt und wie weit sind die Fahrzeuge dann vom Punkt A entfernt? 1. Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit des PKW in einer ebenen Kurve vom Radius 0 m, wenn zwischen Reifen und nasser Straße nur eine Haftreibungszahl µ = 0, wirksam ist? 1. Welchen Weg legt der mit 90 km/h fahrende PKW bei ausgekuppeltem Motor auf einer Straße mit 1 % Steigung und einer Reibungszahl von µ = 0,09 bis zum Stillstand zurück?

3 Aufgabe 2 Elektrische und magnetische Felder, elektromagnetische Induktion 2.1 Erläutern Sie, ausgehend vom Induktionsgesetz, unter welchen 2 Bedingungen eine Spannung induziert wird. Nennen Sie dazu je eine praktische Anwendung Im homogenen Feld einer langen, eisenfreien Feldspule befindet sich eine Induktionsspule. Die beiden Spulenachsen liegen parallel zueinander. Die Feldspule ist 7 cm lang und hat 7 Windungen. Die Induktionsspule besitzt 102 Windungen und einen Durchmesser von, cm. In der Induktionsspule soll innerhalb von t = 0,00 s eine Spannung von 7 mv durch gleichmäßige Abnahme der Stromstärke in der Feldspule induziert werden. 2.2 Berechnen Sie den Betrag der notwendigen Stromstärkeänderung! Die obere Platte eines im Vakuum befindlichen Kondensators mit horizontal liegenden Platten ist negativ geladen. Zwischen den Platten befindet sich ein positiv geladenes Teilchen der Ladung Q und der Masse m in Ruhe und wird freigegeben. 2. Skizzieren Sie das Feldlinienbild im Innern des Plattenkondensators. Nennen Sie die Kräfte, die auf das Teilchen wirken und zeichnen Sie die Kraftvektoren in die Skizze ein. 2. Leiten Sie eine Gleichung für die resultierende Kraft auf das positiv geladene Teilchen her und beschreiben Sie alle möglichen Bewegungszustände qualitativ! 2. Das Teilchen besitzt eine Masse von 1, kg und eine Ladung von 12,0 10 C. Der Plattenabstand beträgt, cm und am Kondensator liegt eine Spannung von 0 V an. Nach welcher Zeit trifft das Teilchen auf der oberen Platte auf, wenn die Bewegung an der unteren Platte mit vo = 0 beginnt? [t =, ms] 2. Welche kinetische Energie besitzt das Teilchen beim Auftreffen auf die obere Platte? 2.7 Zwischen die Platten des Kondensators werden nun negativ geladene Öltröpfchen mit einer waagerechten Anfangsgeschwindigkeit v o gesprüht. Welche Bewegung ergibt sich, wenn die Gravitationskraft dabei unberücksichtigt bleibt? Begründen Sie Ihre Aussage und leiten Sie die Bahngleichung her! 7

4 Aufgabe Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Der kapazitive Widerstand eines Kondensators ist wie folgt von der Kapazität abhängig: C in µf 1 2 X C in Ω Zeigen Sie grafisch, dass gilt X C 1/C Eine reale Spule stellt eine Reihenschaltung aus einem ohmschen und einem induktiven Widerstand dar. Eine mit einem Eisenkern versehene Spule hat eine Länge von l =,0 cm, eine Querschnittsfläche von A = 1, cm 2 und eine Windungszahl von N = 000 Windungen..2 Durch eine Gleichstrom- und Wechselstrommessung (f = 0Hz) soll die Induktivität der Spule bestimmt werden. Zeigen Sie, dass zur Berechnung der Induktivität L gilt: 1 L = 2π f U I eff eff 2 2 U I. Berechnen Sie L, wenn beim Gleichstrom U = 10 V, I = 0,2 A und beim Wechselstrom U eff = 20 V, I eff = 1, ma ermittelt wurden.. Berechnen Sie die Permeabilitätszahl µ r für den Eisenkern, wenn L = 2, H beträgt! Im Folgenden wird ein Kondensator C S parallel zur Spule geschaltet. Nach einmaliger Energiezufuhr mit U = 12 V werden Energieverluste im Schwingkreis durch eine Rückkopplungsschaltung ausgeglichen.. Beschreiben Sie kurz die Energieumwandlungen im Schwingkreis für Wodurch entstehen Energieverluste im Schwingkreis? T 0 t! 2. Berechnen Sie die Kapazität von C S, wenn die Resonanzfrequenz f 0 = 0 Hz beträgt!.7 Berechnen Sie die vom Schwingkreis aufgenommene Energie! Falls Sie Aufgabe. nicht gelöst haben, rechnen Sie mit C S =,09 nf. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises soll durch Zuschalten eines Kondensators C 1 halbiert werden. Muss der Kondensator parallel oder in Reihe zu C S geschaltet werden? Begründen Sie Ihre Aussage! 2 0

5 Aufgabe Wärmelehre/Thermodynamik Drei gleiche Luftmengen (Dichte der Luft 1,29 kg/m ), die als ideales Gas aufzufassen sind, besitzen jeweils den Anfangsdruck p a = 100 kpa, das Anfangsvolumen V a = 1 m sowie die Anfangstemperatur 20 o C und durchlaufen verschiedene Zustandsänderungen. Die Temperatur der ersten Luftmenge wird um 200 K isobar und die der zweiten um 00 K isochor erhöht. Die dritte Luftmenge wird isotherm auf das doppelte Volumen expandiert..1 Ermitteln Sie für jede Luftmenge p e, V e und T e! 9.2 Bestimmen Sie die Wärme, die Volumenarbeit und die Änderung der inneren Energie sowohl für die isobare als auch für die isochore Zustandsänderung! 10 Ein zylinderförmiger Stahlkessel (V o = 200 l) ist mit Wasser der Anfangstemperatur von 20 C gefüllt.. Wasser und Kessel werden bis zum Siedepunkt des Wassers erwärmt. Berechnen Sie das Volumen des Wassers, das wegen der Ausdehnung von Wasser und Kessel in das Ausdehnungsgefäß entweicht.. Wieviel Steinkohle (Heizwert: 29 MJ/kg) ist für die Erwärmung des Wassers notwendig, wenn der Wirkungsgrad der Kesselanlage 2% beträgt? 0