Physik - BSZ

Zur Vorbereitung auf die Aufnahmeprüfung für die WO im Fach Physik
Fachlehrer: Schmidt
Folgende Themen sind vorgesehen:
Mechanik
- Geradlinig gleichförmige Bewegung, Geschwindigkeit
- Masse, Volumen, Dichte
- Gewichtskraft ( G  mg ) )
- Hookesches Gesetz F s und Federkonstante D
- Hebelgesetz (zweiseitiger Hebel, eine Kraft pro Seite)
- Arbeit ( W  Fs s ; speziell Hubarbeit WH  G h  mg h )
W
- Leistung ( P  )
t
- Energie, Energieumwandlungen, Energieerhaltung
Elektrizitätslehre
- Elektrische Ladung ( Q )
Q
)
t
W
- Elektrische Spannung ( U  el )
Q
- Wirkungen des elektrischen Stroms (Wärmewirkung, Lichtwirkung, magnetische Wirkung)
- Stromkreis (Schaltplan)
U
- Ohmsches Gesetz ( U I ) und Widerstand ( R  )
I
- Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
- Elektrische Arbeit ( W  U I t )
- Elektrische Leistung ( P  U I )
- Elektrischer Strom ( I 
Die Arbeitszeit für die Aufnahmeprüfung im Fach Physik beträgt 75 min. Als Hilfsmittel sind
ein Taschenrechner und die beigefügte Formelsammlung zugelassen.
Zur Übung erhalten Sie einige Aufgabenblätter mit Beispielaufgaben.
Zum Selbststudium bzw. Wiederholen ist jedes Mittelstufenbuch geeignet.
Auch im Internet findet man Hilfe, z.B. auf der Seite http://leifi.physik.uni-muenchen.de/
Schüler(in)
Klasse
Datum
Fach
Ph
Thema
Lehrer
Formelsammlung
Vorsilben:
St
Nano Mikro Milli Zenti Dezi Deka Hekto Kilo Mega Giga
n

m
c
d
da
10 9 10 6 10 3 10 2 10 1 101
h
10 2
k
M
G
103 10 6 109
Mechanik
Dichte:
Masse
Volumen
m
=
V
Einheiten:
Dichte =
1g / cm 3 = 1kg / dm 3 = 1t / m 3
( ist der griechische Buchstabe rho)
Geschwindigkeit:
(bei gleichförmiger Bewegung = geradliniger
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit):
Weg
Zeit
s
v=
t
Einheit z.B. 1 m / s oder 1 km / h
1 m / s = 3,6 km / h
Geschwindigkeit =
Gewichtskraft:
G ewichtskraft  Masse  Ortsfaktor
Auf der Erde ist g  10 N/kg
FG  m  g
also: 1 kg Masse entspricht hier etwa 10N Gewichtskraft
Federkonstante:
Für eine Feder, die dem
„Hookeschen Gesetz gehorcht“, gilt:
Kraft
 Federkonstante
D ehnung
F
 D
s
E inheit z. B. 1N / cm
Hebelgesetz
Wirken bei einem zweiseitigen Hebel, der im
Gleichgewicht ist, je eine linksdrehende Kraft Fl
mit Hebelarm al und eine rechtsdrehende Kraft Fr
mit Hebelarm ar , so gilt:
F a  F a
l l r r
Arbeit (= übertragene Energie):
Leistung:
Arbeit = KraftWeg
Arbeit
(übertragene) Energie
=
Zeit
Zeit
= (Energie übertragende) Kraft  Geschwindigkeit
W
P=
 Fs
t
Einheiten: 1J / s = 1Watt = 1W
W = Fs
Einheiten: 1Nm = 1Joule =1J
Kraft und Weg müssen parallel
zueinander sein,
die Kraft muss konstant sein
Leistung =
Kraft und Geschwindigkeit müssen konstant sein.
Schüler(in)
Datum
Fach
.
24.4.2010 Ph
Thema
Elektrizität, Energie
Lehrer
St
A1) a) Beschreibe und erkläre einen Versuch zu elektrischer Ladung.
b) Auf einer Glühlampe steht 2 W 6 V. Wie viel elektrische Energie (in J) entnimmt sie in einer
Stunde dem Stromnetz? Was wird aus dieser Energie?
c) Diese Lampe ist mit einer zweiten gleichen Lampe in Reihe geschaltet. Welche Spannung muss
anliegen, wenn beide voll leuchten sollen?
A2) Auf einer Glühlampe steht 100 W 230 V.
a) Berechne die Stärke des Stroms, der bei normalem Betrieb durch die Lampe fließt.
b) Welche Energie entnimmt die Lampe in 20 Stunden Betriebszeit dem Stromnetz?
c) Der Wirkungsgrad der Lampe ist 5 %. Was heißt das?
A3) a) Wir kennen verschiedene Wirkungen des elektrischen Stroms.
Beschreibe zu jeder der Wirkungen eine Anwendung.
b) Eine Elektroherdplatte heizt mit 2000 W 15 min lang. Welche Energie in kWh entnimmt sie in
dieser Zeit dem Stromnetz?
c) Erläutere die Voraussetzungen für das Fließen von elektrischem Strom.
A4) Gib jeweils eine Vorrichtung an, bei der
- Bewegungsenergie in elektrische Energie
- elektrische Energie in Höhenenergie
umgewandelt wird.
A5) a) Beschreibe einen Versuch zur Anziehung oder Abstoßung von geladenen Körpern.
b) Erkläre den Versuch aus a).
c) Eine mit 6V betriebene Glühlampe hat eine Leistung von 3W. Würde die Stärke des dabei
fließenden Stroms ausreichen, einen Menschen zu schädigen?
A6) Welche Energieumwandlungen finden statt
in einer Glühlampe
in einem Pkw-Motor
im Fahrraddynamo?
A7) Zwei Lampen (6V1A bzw. 6V0,5A) sind parallel zueinander an eine Spannungsquelle
angeschlossen. Beide leuchten voll.
a) Welche Spannung liegt an?
b) Berechne den Widerstand und die Leistung der 1. Lampe.
c) Nun wird ohne sonstige Änderung eine dritte Lampe (6V0,5A) parallel zu den beiden anderen
geschaltet. Wie verändern sich dadurch der Gesamtwiderstand R, die Gesamtstromstärke I und die
Gesamtleistung P?
A8) Zwei Lampen (jeweils 6V 1A) sind an eine Spannungsquelle von 6 V geschaltet und leuchten voll.
a) Zeichne ein Schaltbild und begründe, warum die Lampen in Reihe oder parallel geschaltet sind.
b) Berechne den Gesamtwiderstand und die Gesamtleistung.
c) Eine dritte gleiche Lampe wird auf die gleiche Art dazugeschaltet, ohne sonstige Änderung.
Verändert sich die Gesamtstromstärke dadurch? Wenn ja, wie?
A9) Zwei Glühlampen sind an eine Spannungsquelle a) parallel zueinander und b) in Reihe geschaltet.
Zeichne je einen Schaltplan.
Schüler(in)
Datum
24.4.2010
Thema
Fach
Ph
Lehrer
Arbeit, Leistung, Hebel, Hooke
St
Erinnerung: Mechanische Arbeit ist Energieübertragung mit Hilfe einer Kraft. Es gilt:
Arbeit = Kraft  Weg
W  Fs
(F || s , F konstant)
Arbeit
= Kraft  Geschwindigkeit
Zeit
W
= F  v ( F und v konstant)
P=
t
Leistung =
a) Hubarbeit: Ein Körper wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit gehoben. Die Kraft ist gleich groß wie
die Gewichtskraft, geht aber nach oben. Der Weg ist der Höhenunterschied h zwischen Ausgangslage und
Endlage. W = G.h. Der Körper hat nachher mehr Lageenergie als vorher, gerade so viel mehr, wie Hubarbeit
an ihm verrichtet wurde.
b) Reibungsarbeit: Ein Körper wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit über eine Unterlage gezogen. Die
Kraft ist gleich groß wie die Reibungskraft, geht nur in Bewegungsrichtung. W = FR.s . Die Reibungsarbeit
wird innere Energie des Körpers und seiner Unterlage oder Wärme.
c) Beschleunigungsarbeit: Wird in a) die hebende Kraft größer als die Gewichtskraft oder in b) die Zugkraft
größer als die Reibungskraft, so wird der Körper beschleunigt. Er erhält zusätzlich Bewegungsenergie.
d) Verformungsarbeit: Wirkt auf einen Körper eine verformende Kraft, so wird an ihm Verformungsarbeit
verrichtet. Da hier die Kraft i. A. mit der Verformung zunimmt, läßt sich die Arbeit hier nicht unmittelbar
durch F.s berechnen. Ist der Körper elastisch, sprechen wir auch von Spannarbeit.
Aufgabe 1:
a) Abel hebt eine Tafel Schokolade (100 g) in einer halben Sekunde einen Meter hoch.
Welche Arbeit hat er an der Tafel verrichtet?
[1J]
Welche Leistung hat er an der Tafel aufgebracht?
[2W]
b) Kain hebt eine Hantel der Masse 150 kg in einer Sekunde zwei Meter hoch.
Welche Arbeit hat er an der Hantel verrichtet?
[3kJ]
Welche Leistung hat er an der Hantel aufgebracht?
[3kW]
c) Ein Bergwanderer (80 kg) steigt in 2,5 Stunden 1000 m hoch.
Berechne seine mittlere Leistung.
[ 88, 8 W]
Aufgabe 2
Das menschliche Herz pumpt bei jedem Herzschlag etwa 80 g Blut durch den Körper.
Nehmen wir an, das Blut werde dabei im Mittel 1 m gehoben. Das Herz schlägt in der Minute
etwa 70 mal.
a) Welche Arbeit verrichtet es dabei?
[56J]
b) Welche Arbeit verrichtet es an einem Tag? Wie hoch könnte ein Erwachsener mit 80 kg
mit dieser Arbeit gehoben werden?
[80640J;100,8m]
c) Welche Arbeit verrichtet das Herz im Laufe eines Lebens von 70 Jahren? Wie hoch
könnte mit diesem Arbeitsbetrag eine Lokomotive (40 t) gehoben werden?
[2,06GJ;5,15km]
d) Wie groß ist die mittlere Leistung des Herzens?
[ 0,93 W]
Aufgabe 3
a) Wie viel Liter Wasser fördert eine Pumpe, die 2 kW leistet, in einer Stunde aus 5 m
Tiefe?
b) Ein 5-kW-Motor zieht an einem Kran ein 500-kg-Teil 20 m hoch. Wie lang braucht er
dazu?
c) Für eine Bewässerung werden pro Minute 1,2 m³ Wasser 5 m hochgepumpt. Welche
Leistung muss die Pumpe dabei abgeben?
[144000l;20s;1000W]
Aufgabe 4
Beim Spannen eines Bogens zieht Kriemhild die Sehne um 60 cm zurück. Die Haltekraft ist
nun 120 N. Kriemhild meint, sie habe nun die Verformungsarbeit
W = F.s = 120 N.0,6 m = 72 Nm = 72 J verrichtet. Hat sie recht? Begründung!
Aufgabe 5
Beim Ziehen eines Schlittens mit gleichbleibender Geschwindigkeit müssen die Hunde
insgesamt 200 N aufbringen. Sie ziehen den Schlitten 1 km weit. Wie groß ist die
Arbeit? Welche Art von Arbeit ist es?
[200kJ]
Aufgabe 6
Siegfried hebt einen gefüllten Koffer (20 kg) 40 cm hoch, trägt ihn mit gleichbleibender
Geschwindigkeit 20 m weit und stellt ihn dann auf einen Gepäckwagen (30 kg). Diesen
Gepäckwagen schiebt er 100 m weit, wobei die Reibungskraft 8 N beträgt.
Berechne die Arbeit, die Siegfried beim Hochheben, Tragen und Schieben jeweils verrichtet.
[80J;0J;800J]
Aufgabe 7
Opa Ottokar trug 1924 seine Braut Bertha 12 m hoch in die Wohnung im 4. Stock. Ottokar
hatte damals 60 kg. Er verrichtete insgesamt 16,2 kJ Hubarbeit.
Wie schwer war Bertha damals?
[75kg]
Aufgabe 8
Ein Fön, auf dessen Typenschild 1000 W steht, ist 25 min bei voller Leistung in Betrieb.
Welche elektrische Energie entnimmt er in dieser Zeit dem Stromnetz? (in J und in kWh)
[1500kJ; 0,416 kWh]
Aufgabe 9
a. Die Hebel sollen sich im Gleichgewicht befinden. Ergänze die in der Tabelle fehlenden
Werte!
l1
l2
F2
F1
F1
l1
a)
4N
3 cm
b)
4N
F2
l2
6 cm
10 N
3 cm
b. Die Hebel befinden sich im Gleichgewicht. Markiere die Drehachse! Am Hebel ist eine
cm-Teilung angegeben.
F1 = 2 N
F2 = 10
Aufgabe 10
Eine Masse 200g wird an eine Feder mit der Federkonstante D=0,5N/cm gehängt. Die Feder
sei in dem Bereich, in dem sie „dem Hookeschen Gesetz gehorcht“.
a) Was heißt das?
b) Wie weit wird sie durch die angehängte Masse gedehnt?
Formelsammlung Seite 2
Elektrizitätslehre:
Stromstärke:
Fließt elektrische Ladung durch einen
Leiterquerschnitt, so definieren wir:
Ladung
Stromstärke=
Zeit
Q
I=
t
C
Einheiten: 1
= 1 Ampere = 1 A
s
Widerstand:
Spannung
Stromstärke
U
R=
I
Einheiten: 1 V / A = 1 Ohm = 1 
Widerstand =
Spannung:
Werden Ladungen unter Arbeitsaufwand getrennt, so
entsteht Spannung:
Arbeit
Spannung =
Ladung
W
U=
Q
Einheiten: 1 J / C = 1 Joule / Coulomb
= 1 Volt = 1 V
Parallelschaltung:
Reihenschaltung:
U 1  U 2  U gesam t
U 1  U 2  U gesam t
I 1  I 2  I gesam t
I 1  I 2  I gesam t
1
1
1


R1 R 2
R gesam t
R1  R 2  R gesam t
speziell Ohmsches Gesetz:
U
R   konstant
I
Elektrische Leistung:
Elektrische Arbeit:
Leistung = Spannung Stromstärke
A rbeit = S pannung  Strom stärke  Zeit
W =U  I  t
P = U I
Einheiten:
E inheiten:
1 VA = 1 Watt = 1 W = 1 J / s
1 V A s = 1 W attsekunde = 1 W s = 1 J
1 kW h = 1000 W h = 60000 W m in
=3600000 W s = 3600000 J = 3600 kJ
Größe
Länge, Weg
Flächeninhalt
Formel- Grundeinheit
zeichen
s
1 m = 1 Meter
A
1 m²
Rauminhalt, Volumen
Zeit
Masse
Kraft
Arbeit, Energie
Leistung
Ladung
Stromstärke
Spannung
Widerstand
V
t
m
F
W
P
Q
I
U
R
1 m³
1 s = 1 Sekunde
1 kg = 1 Kilogramm
1 N = 1 Newton
1 J = 1 Joule
1 W = 1 Watt
1 C = 1 Coulomb
1 A = 1 Ampere
1 V = 1 Volt
1  = 1 Ohm
weitere Einheiten
1 Ar = 1a = 100 m²,
1 Hektar = 1 ha = 100 a
1 Liter = 1 l = 1 dm³
min, h = Stunde, d = Tag,
1 t = 1000 kg
Achtung! Nicht kg!!!
1 Ws = 1 J; 1 kWh = 3600 kJ
1 C = 1 As