Technische Oberschule Stuttgart Aufnahmeprüfung Physik Seite 1

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Aufnahmeprüfung Physik
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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.
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Arbeitsblatt zu Aufgabe 2
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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.
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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
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Aufgabe 6 (Wärmelehre):
In einem Ziegelwerk werden quaderförmige Ziegelplatten hergestellt.
Daten eines Ziegels:
-
Abmessungen: 40cm x 30cm x 5 cm
-
Dichte: 2,0
-
Wärmekapazität: 0,9
kg
/dm³
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.
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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)
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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.
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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.
sin α
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°.
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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