Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 1 von 9 Zu bearbeiten sind 4 der 6 Aufgaben innerhalb von 60 Minuten. Aufgabe 1 (Mechanik): Ein Bauer pflügt seinen Acker, dabei braucht der Traktor für eine Strecke von 20 m 8 Sekunden. Der Traktor gibt beim Pflügen die Leistung P=80kW an den Pflug ab. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Traktors. b) Bestimmen Sie die Energie in MJ, die der Traktor beim Erzeugen einer 500 m langen Ackerfurche an den Pflug abgibt. c) Berechnen Sie die vom Traktor zum Voranziehen des Pfluges benötigte Kraft in kn. d) Wie viel Liter Dieselkraftstoff verbraucht der Traktor beim Herstellen der Ackerfurche, wenn von den 40 MJ Energie, die in jedem Liter Dieselkraftstoff sind, 12% an den Pflug abgegeben werden? Aufgabe 2 (Mechanik): Sie beobachten den Straßenverkehr zwischen zwei Ampeln, die genau 2200 m voneinander entfernt sind. Ein Moped steht bei Rot an der ersten Ampel. Im ersten Diagramm des Arbeitsblatts finden Sie die Orts-Zeit-Kurve des Mopeds, nachdem die Ampel bei t = 0 s auf Grün gesprungen ist. Eine Minute nach dem Start des Mopeds fährt ein Auto über die erste Ampel, die noch immer Grün zeigt. Es bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 45 km/h. a) Zeichnen Sie die Orts-Zeit-Kurve des Autos in das Diagramm 1 des Arbeitsblatts ein. Zu welchem Zeitpunkt überholt das Auto das Moped? Begründen Sie Ihre Antwort. b) Bestimmen Sie die Zeit, welche das Auto für die Strecke zwischen den beiden Ampeln braucht. Begründen Sie Ihr Ergebnis durch eine Rechnung oder einen Text. c) Im Diagramm 2 finden Sie ein leeres Koordinatensystem. Zeichnen Sie dort die Geschwindigkeits-Zeit-Kurven des Mopeds und des Autos für 0 t 300s ein.
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 2 von 9 Arbeitsblatt zu Aufgabe 2
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 3 von 9 Aufgabe 3 (E-Lehre): Es wird eine Glühlampe untersucht. Hierbei ergeben sich in Abhängigkeit der angelegten Spannungen folgende Stromstärken: Spannung in V 0 3 8 13 18 23 28 Stromstärke in A 0 0,6 1,1 1,5 1,8 2,0 2,1 a) Zeichnen Sie die Schaltung einschließlich der Messinstrumente, mit der diese Messwerte aufgenommen werden können. b) Zeichnen Sie das I(U)-Diagramm für die untersuchte Lampe. c) 5% der elektrischen Leistung wird in Licht umgewandelt. Berechnen Sie die Lichtleistung bei U=3V und U=23V. Bei einem Gartenfest wird eine Lichterkette eingesetzt. Sie besteht aus zehn gleichen Glühlampen. d) Wie verändern sich die Messwerte für die Stromstärke, wenn der Versuch wiederholt wird und die Lampen in der Lichterkette parallel geschaltet sind? Wie verändern sich die Messwerte für die Stromstärke, wenn der Versuch wiederholt wird und die Lampen in der Lichterkette in Reihe geschaltet sind? Aufgabe 4 (E-Lehre): Ein Schüler soll ein Solarmodellboot bauen. Zur Verfügung steht ein Modellbaumotor, ein Schalter und eine Solarzelle als Spannungsquelle. Der Schüler versucht sich mit der elektrischen Schaltung der Bauteile. Er probiert die skizzierten Schaltungen A und B. a) Beschreiben Sie, was bei den Schaltungen A und B bei offenem und geschlossenem Schalter jeweils geschehen würde! b) Helfen Sie und zeichnen Sie die richtige Schaltung der Bauteile! c) Der Motor hat eine Betriebsspannung von 3V und darf mit maximal mit einer Stromstärke von 5A betrieben werden. Es steht jedoch nur eine Solarzelle zur Verfügung die 12V Spannung erzeugt. Durch einen geeigneten Widerstand soll der Motor mit dieser Solarzelle betrieben werden. Zeichnen Sie ein geeignetes Schaltbild und berechnen Sie die Größe des Widerstandes. d) Warum ist die Schaltung dieser Solarzelle mit diesem Motor nicht zweckmäßig? Machen Sie einen Verbesserungsvorschlag und begründen Sie ihn kurz.
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 4 von 9 Aufgabe 5 (Optik): In einem Planschbecken steht ein Besenstiel. Das Foto zeigt den Blick eines Beobachters auf den Besenstiel. Der scheinbare Knick des Besenstiels an der Stelle, an der er in das Wasser eintaucht, wird in der Physik mit dem Begriff Brechung erklärt. a) Stellen Sie in einem kurzen Text dar, was man unter der Brechung des Lichts versteht und geben Sie an, wie die Brechzahl n definiert ist. b) Skizzieren und beschreiben Sie einen Versuch, mit dem man die Brechzahl n von Wasser experimentell bestimmen kann. c) In der Abbildung 1 geht ein Lichtstrahl vom unteren Ende des Besenstiels Richtung Wasseroberfläche. Der weitere Verlauf des Lichtstrahles soll gezeichnet werden. Ergänzen Sie dazu auf dem Arbeitsblatt die Abbildung in geeigneter Weise und berechnen Sie die notwendigen Größen bei einer Brechzahl des Wassers von n=1,33. Zeichnen Sie nun den aus dem Wasser austretenden Strahl in die Abbildung 1 ein. d) Tragen Sie in der Abbildung die Augenposition des Beobachters ein. An welchem Ort sieht der Beobachter das untere Ende des Besenstiels? Abbildung 1: Lichtstrahl
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 5 von 9 Aufgabe 6 (Wärmelehre): In einem Ziegelwerk werden quaderförmige Ziegelplatten hergestellt. Daten eines Ziegels: - Abmessungen: 40cm x 30cm x 5 cm - Dichte: 2,0 kg / dm³ - Wärmekapazität: 0,9 kj / (kg*k) Nach dem Brennen verlassen die Ziegelplatten den Brennofen mit einer Temperatur von 500 C, und werden an der Luft abgekühlt (Lufttemperatur 20 C). Die Abkühlung wird durch eine Temperatur-Zeit-Messung kontrolliert, die folgende Wertetabelle ergibt: t (h) 0 1 2 3 4 5 6 θ ( C) 500 430 370 320 280 240 210 a) Zeichnen Sie ein θ t-diagramm für das Abkühlen. Entnehmen Sie Ihrem Diagramm den Zeitpunkt, bei dem die Ziegelplatten auf 300 C abgekühlt sind. Ermitteln Sie mit Hilfe des Diagramms die Temperatur der Ziegel nach 1,5h. b) Beschreiben Sie den weiteren Verlauf des Diagramms präzise. c) Berechnen Sie die Masse einer Ziegelplatte in kg! d) Berechnen Sie, wie viel Wärme (in kj) eine Ziegelplatte in der ersten Stunde des Abkühlvorgangs an die Luft abgibt.
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 6 von 9 Lösungen Aufgabe 1 (Mechanik): a) v = 2,5 m/s = 9 km/h b) W = 16 MJ c) 32 kn d) 3,33 l Aufgabe 2 (Mechanik): a) noch a) Überholzeit t = 180 s b) Fahrdauer des Autos zwischen den Ampeln: 175 s = 2 min. 55 s. c)
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 7 von 9 Lösungen Aufgabe 3 (E-Lehre): a) und b) c) P = 90 mw bzw. P = 2,3 W d) Parallelschaltung: die Stromstärke ist zehnmal so hoch Reihenschaltung: die Stromstärke bleibt, wenn man die zehnfache Spannung anlegt Aufgabe 4 (E-Lehre): a) Schaltung A Der Schalter hat keine Auswirkung: der Motor läuft immer. Schaltung B Schalter offen: der Motor läuft; Schalter geschlossen: der Motor steht. b) c) Es muss ein Widerstand R in den Stromkreis eingefügt werden, so dass an diesem 9V und am Motor 3 V abfallen. R = U / I = 9V / 5A = 1,8 Ω d) R = U / I ; P = U I = R I² ¾ der Leistung werden am Widerstand in Wärme umgewandelt. Besser wäre, eine Solarzelle zu nehmen, die 3 V erzeugt, einen Motor zu nehmen, der für 12 V ausgelegt ist, oder einen verlustarmen elektronischen Gleichspannungswandler dazwischen zu schalten.
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 8 von 9 Lösungen Aufgabe 5 (Optik): a) Trifft ein Lichtstrahl aus der Luft unter dem Winkel α gegen das Lot zur Grenzfläche (Einfallslot) auf ein durchsichtiges Medium wie z.b. Wasser, so ändert der Lichtstrahl beim Eintritt in das Medium seine Ausbreitungsrichtung. Er wird zum Lot hin gebrochen, dringt also unter einem Winkel β, der kleiner ist als α, in das Medium ein. sinα Für die Brechzahl n gilt: n =. sin β b) Vor einer Winkelscheibe fällt ein Lichtstrahl aus der Luft in Wasser oder ein anderes durchsichtiges Medium. Für verschiedene Einfallswinkel α wird der zugehörige Brechungswinkel β gemessen und dann über das Brechungsgesetz die Brechungszahl n bestimmt. c) Aus der Zeichnung: β = 40. Mit n = 1,33 und dem Brechungsgesetz folgt α = 58,7.
Aufnahmeprüfung Physik 2010 Seite 9 von 9 Lösungen Aufgabe 6 (Wärmelehre): a) ϑ = 300 C nach ca. 3,5 h und nach 1,5 h ist ϑ 400 C b) Die Temperatur der Ziegel sinkt im Verlauf der Zeit weiterhin, allerdings ändert sie sich zunehmend langsamer und nähert sich schließlich der Lufttemperatur an. c) m = 12 kg d) Q = 756 kj