Abschlussprüfung Berufliche Oberschule 2012 Physik 12 Technik - Aufgabe II - Lösung

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1 athphys-online Abschlusspüfung Beufliche Obeschule 0 Physik Technik - Aufgabe II - Lösung Teilaufgabe.0 Die Raustation ISS ist das zuzeit gößte künstliche Flugobjekt i Edobit. Ihe ittlee Flughöhe übe de Edobefläche betägt h 350 k. Fü die folgenden Aufgaben soll angenoen weden, dass sich ISS antiebslos auf eine Keisbahn u die Ede bewegt. Die Ede hat die Masse E kg und den Radius E Teilaufgabe. (5 BE) Leiten Sie aus de Gavitationsgesetz eine Foel he, it de sich de Betag v de Bahngeschwindigkeit de Raustation ISS aus den unte.0 gegebenen Gößen beechnen lässt. Beechnen Sie v it diese Foel. F Z F Gav Auflösen: 0 v G E 0 v M E G M E kg s kg v G v E h v s 350k AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite von 7

2 athphys-online Teilaufgabe. (3 BE) Die Raustation benötigt fü einen vollen Ulauf die Zeit T. Beechnen Sie T in de Einheit Stunden. Foelsalung: 3 E h T π T π G E kgs kg T 5478 s T.5h Teilaufgabe.3 (4 BE) Die Masse eines Astonauten wid auf de Ede ithilfe eine Balkenwaage geessen. Zu den egeläßigen edizinischen Kontolluntesuchungen an Bod de Raustation gehöt es auch, dass ie wiede die Masse des Astonauten bestit wid. Eläuten Sie, wau an Bod de Raustation die Masse des Astonauten nicht it eine Balkenwaage bestit weden kann. Die ISS bewegt sich auf eine Keisbahn u die Ede, sie ist also ein bewegtes Bezugssyste, in de die Zentifugalbeschleunigung als Scheinbeschleunigung wikt. Diese ist de auf den jeweiligen Köpe wikenden Schwebeschleunigung entgegengeichtet und gleich goß. De Astonaut in de ISS efäht beide Käfte, die in jede Moent entgegengesetzt und gleich goß sind und sich dahe gegenseitg aufheben. Wikt keine weitee Kaft, fühlt sich de Astonaut schweelos. Gleichgewichtsbedingung: F Z F Gav Es gibt keine weitee Kaftwikung, die Astonauten befinden sich i schweelosen Zustand. Auf eine Waage wid keine Gewichtskaft und dait auch keine Masse angezeigt. Teilaufgabe.4.0 Die untenstehende Skizze zeigt eine Anodnung (Astonautenwaage), it de die Masse A eines Astonauten an Bod de Raustation bestit weden kann. De Astonaut nit auf eine Sitz Platz, de zwischen zwei Schaubenfeden it de Fedekonstanten D N eingespannt ist. Jede de beiden feden ist u 60 c vogedehnt. De Astonaut, de Sitz und die beiden Feden bilden ein schwingungsfähiges Syste. Ein Kollege lenkt den Sitz it de Astonauten u A 46 caus und lässt dann den Sitz zu Zeitpunkt t 0 0saus de Ruhe heaus los. De Sitz it de Astonauten schwingt nun haonisch it de Peiodendaue T.0 s u die Ruhelage O hin und he. Die eibung in den Rollenlagen und die Reibung zwischen den Rollen und den Fühungsschienen sind venachlässigt klein. Die potentielle Enegie des schwingungsfähign Systes sei dann gleich null, wenn sich de Sitz it de Astonauten in de Ruhelage O befindet. AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite von 7

3 athphys-online Teilaufgabe.4. (5 BE) Beechnen Sie anhand eines Käfteplanes den Betag F de Kaft F, die de Kollege ausüben uss, u de Sitz it de Astonauten die Elongation A 46 czu eteilen. F F links F echts D 0 ( l A) D 0 ( l A) F D 0 l D 0 A D 0 l D 0 A D 0 A F 3.80 N 0.46 F N geundet: F N Teilaufgabe.4. (4 BE) Das unte.4.0 beschiebene schwingungsfähige Syste hat die Richtgöße D 7.60 N. De Sitz besitzt die Masse S 0 kg. Beechnen Sie die Masse A des Astonauten. Foelsalung: ges T π D T π ges T D D ges 4π (.0s) N ges 4π ges 77 kg A ges S A 67 kg AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite 3 von 7

4 athphys-online Teilaufgabe.4.3 (3 BE) Beechnen Sie die Schwingungsenegie E S des Systes. [ Egebnis: E S 80J ] E S E pot D A E S N ( 0.46) E S 80.4 J Teilaufgabe.4.4 (5 BE) Die kinetische Enegie E kin und die potentielle Enegie E pot des schwingungsfähigen Systes sind abhängig von de zeit t. Stellen Sie diese Abhängigkeiten fü 0s t.0 s in eine t-e-diaga da. Bewegungsgleichung: xt () Acos( ω t) Geschwindigkeit: vt () Asin( ω t) Konetische Enegie: E kin gesv gesa ( sin( ω t) ) E kin () t 80Jsin π t.0s Potentielle Enegie: E pot D x D A ( cos( ω t) ) E pot () t 80J cos π.0s t Enegie in J Gaph de kinetischen Enegie Gaph de potentiellen Enegie Zeit t in s AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite 4 von 7

5 athphys-online Teilaufgabe.0 Aus eine Ionenquelle teten einfach positiv geladene Ionen de Lithiuisotope 6 Li und 7 Li it unteschiedlich goßen Geschwindigkeiten aus. Diese Ionen teten duch eine Lochblende L in ein hoogenes Magnetfeld it de zeitlich konstanten Flussdichte B ein. In diese Magnetfeld weden die Ionen so abgelenkt, dass sie einen Halbkeis duchlaufen. Ionen, die duch die Lochblende L gelangen, teten ittig zu den Platten und senkecht zu den Feldlinien in das hoogene elektische Feld eines Plattenkondensatos ein und bewegen sich in diese Feld auf de Bahn () ode auf de Bahn (). Die gesate Anodnung befindet sich i Vakuu. Die Masse eines 7 Li + -Ions ist göße als die Masse eines 6 Li + -Ions. Die auf die Ionen wikenden Gavitationskäfte können venachlässigt weden. Teilaufgabe..0 Nu Ionen, deen Ipuls einen bestiten Betag p hat, passieen die Lochblende L. B sei de Betag de agnetischen Flussdichte B und de Radius des Halbkeises, auf de sich Ionen bewegen, deen Ipuls den Betag p hat. Teilaufgabe.. (4 BE) Nennen Sie die Kaft, die ein Ion i Magnetfeld auf einen Halbkeis lenkt, und bestätigen Sie, dass gilt: p eb Loentzkaft F Z F L v ev B v eb p v p v eb AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite 5 von 7

6 athphys-online Teilaufgabe.. ( BE) Beechnen Sie p fü B 70 T und 6.0c. p As700 3 T6.00 p.60 Ns Teilaufgabe..0 Die Platten des Kondensatos sind quadatisch und haben die Seitenlänge l 8.0c; de Plattenabstand betägt d.0 c. A Kondensato liegt die Spannung U 70 Van. Ein Ion habe bei Eintitt in das elektische Feld die Geschwindigkeit v 0 it de Betag v 0. Teilaufgabe.. (5 BE) Zeigen Sie, dass sich die Flugbahn dieses Ions bezüglich des in de Skizze von.0 angegebenen x-y-koodinatensystes duch folgende Gleichung bescheiben lässt. eu y x fü 0 x l dv 0 Zelegung de Bewegung in Koponenten nach de Supepositionspinzip. x-richtung: x v 0 t t x ( ) v 0 y-richtung: y a t ( ) Beschleunigung: F a F el a qe a qe eu ( 3) d () und (3) in (): y eu d x v 0 eu x dv 0 Teilaufgabe.. (6 BE) In das elektische Feld des Kondensatos gelangen nu diejenigen Ionen, deen Ipuls p 0 den Betag p 0.60 Ns hat. Bei de Bewegung duch das elektische Feld weden die Ionen nach oben abgelenkt. Ionen des Lithiuisotops 7 Li efahen bis zu Austitt aus de elektischen Feld die Ablenkung s Beechnen Sie ithilfe des Egebnisses von.. die Masse Li eines solchen Ions und den Betag v 0 seine Endgeschwindigkeit. [Teilegebnis: Li.0 6 kg ] Gegeben: y s x l 8.0c d.0c U 70V AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite 6 von 7

7 athphys-online y eu Ion x dv 0 Ipuls p 0 v 0 einsetzen: y Ion eu d p 0 x eu x d p 0 y dp 0 Auflösen: Ion eu x s 0 dp 0 eu l Ns Zahlen einsetzen: Ion As70V 8.00 Konkete Wet: Ion.40 6 kg p 0.60 Ns Geschwindigkeit: v 0 v 0 Ion.0 6 v s kg Teilaufgabe..3 (4 BE) Begünden Sie, dass die Geschwindigkeit v 06 eines Ions des Lithiuisotops 6 Li bei Eintitt in das elektische Feld göße ist als die Eintittsgeschwindigkeit v 07 eines Ions des Lithiuisotops 7 Li, und eläuten Sie, welche de Bahnen () und () welche Lithiuisotop zugeodnet weden uss. I Magnetfeld: F Z F L Ion v qv B Geschwindigkeit nach de Duchlaufen des Halbkeisbogens bei Velassen des Magnetfeldes: qb v Da q,, B konstant, gilt: v ~ Ion Ion gößee Masse bewikt kleinee Geschwindigkeit v 07 v 06 AP 0, Physik. Klasse, A II - Lösung Seite 7 von 7