Physik FS 2012 Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 1. Glühbirne (2 Punkte) a) Wie viel Energie verbraucht eine 60-Watt-Glühbirne (Glühbirne mit einer Leistung von 60 W), wenn sie vier Stunden lang brennt? b) Was ist hier mit Energie verbrauchen gemeint? 2. Experiment von James Prescott Joule (3 Punkte) Die untenstehende Prinzipskizze zeigt ein Experiment, bei dem zwei Gewichte ein Rührwerk in einem Wasserbad antreiben. Anfänglich befinden sich die Gewichte auf einer bestimmten Höhe und werden dann losgelassen. Beim Runterfallen wickeln sie eine Schnur ab und versetzen so die Walze in Drehung und damit auch das Schaufelrad im Wasser. Mit einem Thermometer wird die Temperatur des Wassers gemessen. Walze Thermometer Umlenkrolle Schaufelrad Gewicht a) Bei der Durchführung dieses Experimentes stellt man fest, dass sich die Temperatur des Wassers verändert. Erklären Sie, wieso und wie sich die Temperatur verändert. b) Was passiert mit der Temperatur, wenn man nach dem oben beschriebenen Experiment mit der oben angebrachten Kurbel die Schnüre aufwickelt und die Gewichte so wieder hoch zieht? Nehmen Sie an, dass die Schnüre gleich schnell aufgewickelt werden, wie sie abgewickelt wurden. c) Warum ist das Experiment interessant? Welchen Vergleich ermöglicht es? Seite 1 / 9
3. Hüpfender Gumpiböllä (6 Punkte) Ein Gummiball wird zum Zeitpunkt t 0 aus einer Höhe von h = 1.0 m fallengelassen und fällt senkrecht nach unten auf den Boden. Die untenstehende Skizze zeigt die Lage des Balls zu verschiedenen Zeitpunkten. Zum Zeitpunkt t 1 befindet sich der Ball auf halber Höhe der Ausgangshöhe (also ½ h = 0.5 m); zum Zeitpunkt t 2 trifft der Ball gerade auf den Boden auf (Augenblick der ersten Berührung). Nach dem Aufprall auf den Boden springt der Ball wieder auf und erreicht zum Zeitpunkt t 3 wieder die halbe Ausgangshöhe (ist dann also wieder gleich hoch wie zum Zeitpunkt t 1 ). Ganz rechts ist schliesslich die Lage des Balls zu einem nicht genauer spezifizierten Zeitpunkt t 4 nach dem Zeitpunkt t 3 gezeigt. h = 1.0 m 0.5 m Zeitpunkt t 0 Zeitpunkt t 1 Zeitpunkt t 2 Zeitpunkt t 3 Zeitpunkt t 4 a) Welche der folgenden Aussagen sind richtig, welche falsch? richtig falsch Aussage A: Zum Zeitpunkt t 2 wurde die gesamte zum Zeitpunkt t 0 vorhandene kinetische Energie des Balls in potentielle Energie umgewandelt. B: Zu jedem der Zeitpunkte zwischen t 0 und t 4 gilt wegen dem Energieerhaltungssatz: E kin = E pot. C: Zum Zeitpunkt t 1 sind die potentielle Energie des Balls gegenüber dem Boden und die kinetische Energie des Balls (in etwa) gleich gross (wenn es keine Reibungsverluste gibt). D: Zum Zeitpunkt t 3 ist die potentielle Energie des Balls gegenüber dem Boden kleiner als zum Zeitpunkt t 1. E: Die beim Aufprall des Balls auf den Boden abgegebene Energiemenge muss kleiner sein als die Hälfte der potentiellen Energie des Balls zum Zeitpunkt t 0. F: Die potentielle Energie des Balls zu den Zeitpunkten t 1 und t 3 entspricht in der Summe ungefähr dem Doppelten der kinetischen Energie des Balls zum Zeitpunkt t 2. G: Beim Loslassen des Balls zum Zeitpunkt t 0 hat der Ball keine kinetische Energie, die kinetische Energie ist also 0 Joule. Danach wird beim Auf- und Abspringen die kinetische Energie des Balls nie mehr 0 Joule betragen. Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 2 / 9
b) Welche Energieumwandlungen finden hier statt? Man beobachtet, dass die Sprunghöhe des Balls ständig abnimmt. Erklären Sie, wieso dies der Fall ist und wohin dabei die zuvor im System vorhandene Energie verschwindet. c) Angenommen, der Ball wäre eine abgeschlossenes System: Welche maximale Höhe würde der Ball dann nach dem Zeitpunkt t 4 erreichen? Erklären Sie Ihre Antwort. Welcher Unterschied würde sich ergeben, wenn man statt dem Gummiball eine harte Stahlkugel fallenlassen würde? 4. Zum Aufwärmen (6 Punkte) Rechnen Sie bei dieser Aufgabe und der folgenden mit diesen Werten: kj Spezifische Wärmekapazität von (flüssigem) Wasser: c(h 2 O (l) ) = 4.2 kg K kj Spezifische Schmelzwärme von Wasser(eis): L f (H 2 O) = 334 kg kj Spezifische Verdampfungswärme von Wasser: L v (H 2 O) = 2256 kg (Die Energieabgabe an die Umgebung (auch Gefässe) können Sie jeweils vernachlässigen; alle Situationen spielen sich bei konstantem Normaldruck ab.) a) Welche Energiemenge muss (bei konstantem Normaldruck mindestens) einer Menge von 4 Litern (4 kg) Spaghetti-Wasser zugeführt werden, um es von 20 C auf 100 C zu erhitzen? b) Einer bestimmten Menge Wasser wir mit einer Leistung von 1.2 kw während zwei Minuten Wärmeenergie zugeführt, wobei die Temperatur des Wassers von15 C auf 60 C steigt. Wo gross ist die Masse der Wassermenge? c) Um 2.5 kg flüssiges Ethanol vollständig zu verdampfen, muss eine Wärmeenergie von 2100 kj zugeführt werden. Wie gross ist die spezifische Verdampfungswärme von Ethanol? 5. Mischungen (6 Punkte) a) 480 g Wasser mit einer Temperatur 18 C werden mit 320 g Wasser mit einer Temperatur von 62 C vermischt. Welche Mischungstemperatur ergibt sich? b) Es werden 500 g Wasser der Temperatur 10 C zu 0.5 kg Wasser der Temperatur 20 C gegeben. Welche Mischungstemperatur stellt sich ein? c) Ein Metallstück mit einer Masse von 1.5 kg und einer Temperatur von 181 C wird in 2.75 kg Wasser von 18 C eingetaucht. Es ergibt sich eine Mischtemperatur von 32 C. Wie gross ist die spezifische Wärmekapazität des Metalls? Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 3 / 9
6. Drei Klötze (2 Punkte) Gegeben ist sind drei Klötze A, B und C mit identischen Massen, aber aus verschiedenen Stoffen. Ein Klotz besteht aus Aluminium, einer aus Gold und einer aus Nickel. Aus einem Buch entnimmt man die folgenden Werte für die spezifischen Wärmekapazitäten c dieser drei Stoffe im festen Zustand: Aluminium: c(al (s) ) 0.90 kj kg K Gold: c(au (s) ) 0.13 kj kg K Nickel: c(ni (s) ) 0.45 kj kg K Es wird nun den Klötzen ausgehend von einer Anfangstemperatur von 0 C jeweils Wärmeenergie zugeführt, wobei ihre Temperaturen gemessen werden. (Alle drei Klötze sind und bleiben während der gesamten Messung im festen Zustand.) Das untenstehende Diagramm zeigt das Resultat dieser Messung: 50 zugeführte Energiemenge E in kj 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 A B C 0 20 40 60 80 100 Temperatur T in C a) Welcher Klotz ist aus welchem Material? Ordnen Sie den Messkurven A, B, C die jeweiligen Stoffe zu. Der Klotz A ist aus. Der Klotz B ist aus. Der Klotz C ist aus. b) Wie gross war die identische Masse der einzelnen Klötze? Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 4 / 9
7. Zwei Klötze (3 Punkte) Zwei feste Klötze mit unterschiedlichen Temperaturen und Massen werden in ein Wasserbad gegeben, das 4.8 kg flüssiges Wasser mit einer Temperatur von 20 C enthält. Einer der Klötze hat eine Masse von 300 g, besteht aus Aluminium und hat eine Temperatur von 275 C, der andere besteht aus Messing, hat eine Masse von 200 g und eine unbekannte Temperatur. Die spezifische Wärmekapazität von festem Aluminium beträgt c(al (s) ) 0.90 kj kg K, diejenige von Messing c(cuzn (s) ) 0.38 kj kg K. Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von c(h 2 O (l) ) 4.2 kj kg K. Nach einiger Zeit stellt sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen den drei Körpern ein bei einer Temperatur von 25 C. (Dabei sei der Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung sowie die Wärmekapazität des Gefässes vernachlässigbar.) Bestimmen Sie aus diesen Angaben die Anfangstemperatur des Messing-Klotzes. 8. Zinngiessen (6 Punkte) Beim Zinngiessen erhitzt man Zinn (Sn) bis es flüssig ist und lässt es dann ins Wasser plumpsen, wobei es erstarrt und dabei interessante Formen annehmen kann. a) Angenommen es wird eine Menge von 20 g flüssigem Zinn mit einer Temperatur von 232 C in 3 kg (3 Liter) Wasser mit einer Temperatur von 15 C gegeben: Welche Gleichgewichtstemperatur von Zinn und Wasser stellt sich dabei schliesslich ein? (Nehmen Sie an, dass kein Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung stattfindet und vernachlässigen Sie die Wärmekapazität des Gefässes.) b) Welche Gleichgewichtstemperatur würde sich einstellen, wenn die Anfangstemperatur des flüssigen Zinns 260 C beträgt? Einige Werte der beteiligten Stoffe: Zinn (Sn) Wasser (H 2 O) (β-zinn, weisser Zinn) Schmelztemperatur: 0 C 273 K 232 C 505 K Siedetemperatur: 100 C 373 K 2602 C 2875 K Mittlere spezifische Wärmekapazität im c(h 2 O (s) ) 2.1kJ kg K c(sn (s) ) 0.23kJ kg K festen Zustand: Mittlere spezifische Wärmekapazität im c(h 2 O (l) ) 4.2 kj kg K c(sn (l) ) 0.24 kj kg K flüssigen Zustand: Spezifische Schmelzwärme: L f (H 2 O) 334 kj kg L f (Sn) 59 kj kg Spezifische Verdampfungswärme: L v (H 2 O) 2256 kj kg L v (Sn) 2500 kj kg 9. Kurzaufgaben I (7 Punkte) a) Formulieren Sie den Energieerhaltungssatz. b) Um zu verhindern, dass Maschinen zu heiss werden, verwendet man Kühlflüssigkeiten. Erklären Sie, weshalb eine Kühlflüssigkeit eine hohe spezifische Wärmekapazität haben sollte. Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 5 / 9
c) Wenn man eine Kerze auslöschen will, dann kann man, anstatt sie auszublasen, die Fingerspitzen befeuchten mit diesen die Flamme ausdrücken. Das schmerzt nicht und hat den Vorteil, dass kein Wachs verspritzen kann und es nicht zu Rauchentwicklung kommt. Erklären Sie physikalisch, wieso man die Finger befeuchtet. d) Wenn man mit einem Vorschlaghammer über genügend lange Zeit und mit genügend grosser Wucht auf ein Metallstück schlägt, wird es mit der Zeit heiss und kann sogar zu glühen beginnen. Erklären Sie, wieso das so ist. e) Welche der folgenden Aussagen ist korrekt? (Es ist genau eine Antwort richtig.) A: Wärmeleitung gibt es nur im Vakuum. B: Die einzige Form der Wärmeübertragung, die auch im Vakuum stattfinden kann, ist die Konvektion. C: Bei der Wärmestrahlung wird Energie übertragen, indem Stoffe infolge von Dichte-Unterschieden transportiert werden. D: Wärmeleitung (Konduktion) gibt es nur in festen und flüssigen Stoffen. E: Keine der obigen Aussagen ist richtig. f) Eine Kaffeekanne schwimmt in einem offenen Topf mit Wasser ohne den Boden zu berühren (siehe untenstehende Skizze). Der Topf wird auf einem Gasherd erhitzt und das Wasser beginnt schliesslich zu sieden (vom Boden lösen sich Dampfblasen ab und steigen an die Oberfläche). Was wird in dieser Situtation im Verlaufe der Zeit mit dem Kaffee in der Kanne passieren? (Es ist genau eine Antwort richtig.) Begründen Sie Ihre Antwort kurz. A: Der Kaffee in der Kanne beginnt gleichzeitig mit dem Wasser im Topf zu sieden. B: Es dauert einige Zeit und dann beginnt der Kaffee in der Kanne auch zu sieden, gleich wie das Wasser. C: Der Kaffee in der Kanne wird zwar sehr heiss, er beginnt aber auch dann nicht zu sieden, wenn sich die Kanne sehr lange im siedenden Wasser befindet. Kaffeekanne Topf siedendes Wasser g) Erklären Sie, woher die grosse Energie kommt, die in Gewittern steckt. Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 6 / 9
10. Einheiten (3 Punkte) a) Welche der folgenden Einheiten entspricht nicht der Einheit für die spezifische Wärmekapazität? (Es ist genau eine Antwort richtig.) A: kj kg K E: W s kg K B: J C kg F: W s kg K C: MJ g C G: J 2 kg C kw s D: J µg K b) Wenn zwischen der Innenseite und der Ausseite einer Wand der Dicke d und Oberfläche A eine konstante Temperaturdifferenz T herrscht, dann kann die Energiestromstärke P der Wärmeleitung durch die Wand nach folgender Formel berechnet werden: P = d λ A T Dabei ist λ (griechischer Kleinbuchstabe Lambda) eine materialabhängige Grösse, die angibt, wie gut das Material, aus dem die Wand gemacht ist, die Wärmeenergie leiten kann; sie heisst deshalb Wärmeleitfähigkeit. Welche Einheit hat die Wärmeleitfähigkeit λ? c) Wie vielen Millijoule pro Sekunde entsprechen 4.3 Megawatt? 11. Eiswürfel im Glas (2 Punkte) In einem wassergefüllten Glas wird ein Eiswürfel von einem Gewicht unter Wasser gehalten (siehe Skizze). a) Angenommen, das Glas sei ein abgeschlossenes System: Wie ändern sich die Temperatur und die Energie im Glas beim Schmelzen des Eiswürfels? b) Diskutieren Sie, ob und ggf. wie sich die Füllhöhe h im Glas ändert, wenn der Eiswürfel vollständig schmilzt und die Temperatur des Wassers nach dem Schmelzen 20 C beträgt (das Gewicht bleibt im Glas)? Füllhöhe h Wasser Gewicht Wassereis Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 7 / 9
12. Kurzaufgaben II (5 Punkte) a) Wasser verhält sich bezüglich der Änderung seines Volumens in der Umgebung seines Gefrierpunktes ungewöhnlich. Nennen Sie die beiden ungewöhnlichen Punkte sowie je ein Beispiel, wo diese von Belang sind. b) Welche der folgenden Aussagen ist korrekt? (Es ist genau eine Antwort richtig.) A: Eine bestimmte Menge Wasser hat bei etwa 4 C das grösste Volumen. B: Eine bestimmte Menge Wasser hat bei etwa 0 C die grösste Dichte. C: Eine bestimmte Menge Wasser hat bei etwa 4 C die grösste Dichte. D: Eine bestimmte Menge Wasser hat bei etwa 4 C die grösste Dichte und das grösste Volumen. E: 5 kg Wassereis haben eine kleinere Masse als 5 kg Wasser. F: Wenn man eine bestimmte Menge Wasser mit einer Temperatur von 2 C erwärmt, dann nimmt ihr Volumen linear mit der Temperatur zu. G: Keine der obigen Aussagen ist richtig. c) Welche der folgenden Aussagen ist richtig? (Es ist genau eine Aussage korrekt.) A: 10 kg Wasser enthalten bei 0 C mehr Wasser-Teilchen (H 2 O-Moleküle) als bei 4 C. B: 10 kg Wasser enthalten bei 4 C mehr Wasser-Teilchen (H 2 O-Moleküle) als bei 0 C. C: 10 kg Wasser haben bei 0 C ein grösseres Volumen als bei 4 C. D: 10 kg Wasser haben bei 4 C ein grösseres Volumen als bei 0 C. E: 10 Liter Wasser mit einer Temperatur von 0 C haben ein kleineres Volumen als 10 Liter Wasser mit einer Temperatur von 4 C. F: 10 Liter Wasser mit einer Temperatur von 4 C haben ein kleineres Volumen als 10 Liter Wasser mit einer Temperatur von 0 C. G: Keine der obigen Aussagen ist richtig. d) Welcher der gegebenen Teilsätze vervollständigt den Satzanfang korrekt? Kreuzen Sie diesen Teilsatz an (es ist genau eine Antwort richtig). Wenn man eine bestimmte Masse Wasser (bei normalem Druck) von 0 C auf 4 C erwärmt, dann A: nimmt das Wasservolumen ab. B: vergrössert sich das Wasservolumen. C: bleibt das Wasservolumen konstant. D: beginnt es zu sieden. E: erstarrt es zu Eis. e) Wieso muss man im Winter im Freien verlaufende Wasserleitungen entleeren? 13. Bergsee (2 Punkte) Zeichnen Sie qualitativ ein Diagramm, das veranschaulich, welches Temperaturprofil Sie in einem Bergsee im Sommer und im Winter erwarten (Verlauf der Temperatur mit der Tiefe des Sees). Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 8 / 9
14. Dichte und Volumen von Wasser und Quecksilber (2 Punkte) Die nachfolgenden sechs Diagramme A bis F zeigen jeweils das Verhalten einer bestimmten Menge an Wasser oder Quecksilber in Abhängigkeit von der Temperatur. Auf der Abszisse (x-achse) ist in allen Fällen die Temperatur linear aufgetragen, auf der Ordinate (y-achse) ist jeweils linear das Volumen oder aber die spezifische Dichte zu finden. Ordnen Sie die Diagramme den untenstehenden Beschreibungen zu. A B C D E F Diagramm Beschreibung Volumen von Quecksilber zwischen 0 C und 100 C spezifische Dichte von Quecksilber zwischen 0 C und 100 C Volumen von Wasser zwischen 0 C und 100 C spezifische Dichte von Wasser zwischen 0 C und 100 C Volumen von Wasser zwischen 0 C und 10 C spezifische Dichte von Wasser zwischen 0 C und 10 C Übungsprüfung A zur Physik-Prüfung vom 21. Juni 2012 Seite 9 / 9