Lehrgang 12 - FOS/BOS Rosenheim

Abschlussprüfung Telekolleg / Lehrgang 12
Fach:
Physik
Termin: 20.Juni 2005
Arbeitszeit: 150 Minuten
Name und Anschrift des Prüflings:
Maximale Punktzahl:
60
___________________________________________
Erreichte Punktzahl: _____
___________________________________________
Note: _____
BE
1
Astronauten ermitteln auf dem Mond durch folgendes Experiment die
dort herrschende Fallbeschleunigung:
Aus einer Luke in 15 m Höhe in der senkrechten Wand des Raumschiffes, das
auf dem Mondboden steht, wird ein Leuchtgeschoss zum Zeitpunkt
t = 0 s senkrecht nach oben abgefeuert.
Die y-Achse des Koordinatensystems sei senkrecht nach oben orientiert.
Der Koordinatenursprung liege am Fuße des Raumschiffes.
m
Das Geschoss besitzt die Anfangsgeschwindigkeit vom Betrag v 0 = 10 .
s
Nach 12,4 s passiert das Geschoss den Abschussort und fällt weiter auf die
Mondoberfläche.
4
1.1
Berechnen Sie aus diesen Daten die Fallbeschleunigung auf dem Mond.
m

Ergebnis : g M = 1,6 s2 


3
1.2
Stellen Sie unter Berücksichtigung des festgelegten Koordinatensystems die
Gleichung y(t) der Flughöhe des Geschosses in Abhängigkeit von der Zeit t mit
eingesetzten Zahlenwerten auf.
6
1.3
Berechnen Sie die maximale Höhe ymax des Geschosses über dem
Mondboden und skizzieren Sie unter Verwendung der vorliegenden Daten das
t-y-Diagramm des Geschosses bis zum Aufschlag auf dem Boden.
( Keine weiteren Werte berechnen! )
Maßstäbe: t: 1,0 s A 1,0 cm ;
y: 10 m A 1,0 cm
5
1.4
Berechnen Sie den Zeitpunkt t1, an dem das Geschoss auf der Mondoberfläche
auftrifft.
[Ergebnis: t1 = 13,8 s]
2
1.5
ur
Berechnen Sie den Betrag der Geschwindigkeit V end , mit der die Leuchtkugel
auf dem Boden aufschlägt.
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2
Eine Kugel mit der Masse m = 80 g hängt an einem Faden von der Decke.
(vgl. Skizze!)
C
D
hC
hD
B
A
∆s
Drückt man die Kugel gegen die horizontal an der Wand befestigte Feder, so
schwingt sie nach dem Loslassen bis zum Umkehrpunkt C.
In den skizzierten Kugelpositionen A und B gilt:
In A: Feder gespannt um die Strecke ∆s
In B: Feder entspannt; die Kugel verlässt die Feder
Alle Reibungsverluste, sowie der geringfügige Höhenunterschied
der Positionen A und B werden vernachlässigt (d.h. hA = hB = 0)!
3
2.1
Leiten Sie, ausgehend von einem Energieansatz eine Formel für den Betrag vB
der im Punkt B erreichten Geschwindigkeit der Kugel in Abhängigkeit von der
Federkonstanten D, der Kugelmasse m und der anfänglichen
Spannstrecke ∆s der Feder her.
4
2.2
Begründen Sie anhand des Ergebnisses von 2.1, dass folgende Gleichung gilt:
v B = k . ∆s , wobei k ein konstanter Proportionalitätsfaktor ist.
Berechnen Sie damit die Federkonstante D der verwendeten Feder, wenn der
auftretende Proportionalitätsfaktor k = 28 s –1 beträgt.
2.3
Die Feder wird jetzt soweit vorgespannt, dass die Kugel in B eine
Geschwindigkeit vom Betrag vB = 2,8 ms –1 erreicht.
4
2.3.1 Zeichnen Sie einen Kräfteplan, der alle Kräfte zeigt, die auf die Kugel einwirken,
wenn diese den Punkt B durchläuft. Tragen Sie mit Farbe auch die
Resultierende dieser Kräfte ein und nennen Sie deren physikalische Bedeutung.
4
2.3.2 Berechnen Sie mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes die Höhe hC des
Umkehrpunktes C.
5
2.3.3 Berechnen Sie den Betrag der Geschwindigkeit v D , mit der die Kugel
den Punkt D in der Höhe hD = 25 cm passiert.
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3
R1= 680 kΩ
+
Uo = 10 kV
luftleer
o
−
RP
A
V UP
d
o
Die Potentiometerschaltung dient dazu, eine gewünschte Versorgungsspannung UP für den angeschlossenen Plattenkondensator einzustellen.
Mit dem Schleifkontakt können für den Potentiometerwiderstand RP Werte
von 0 Ω (Schleifkontakt oben) bis 1,0 MΩ (Schleifkontakt unten) eingestellt
werden.
3.1
Zunächst wird nur die Potentiometerschaltung betrachtet:
Die Innenwiderstände des Ampere- und des Voltmeters bleiben außer Betracht.
4
3.1.1 Ermitteln Sie die vom Amperemeter angezeigten Stromstärken für Rp = 0 Ω und
Rp = 1,0 MΩ . Geben Sie den Bereich an, in dem die Stromstärke eingestellt
werden kann.
3
3.1.2 Berechnen Sie, auf welchen Wert RP eingestellt werden muss, damit das
Voltmeter eine Spannung von UP = 5,2 kV anzeigt.
3.2
Jetzt wird der Plattenkondensator betrachtet, dessen Platten – wie skizziert –
horizontal montiert sind und einen Abstand von d = 8,0 cm besitzen.
Zunächst liegt die eingestellte Spannung von UP = 5,2 kV am Kondensator an.
Die Polung ist durch die angeschlossene Hochspannungsquelle festgelegt.
In das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten können kleine
elektrisch geladene Tröpfchen eingebracht werden. Diese unterliegen dann nur
dem elektrischen Feld und dem Gravitationsfeld. Da sich der Plattenkondensator
im Vakuum befindet, können sich die Tröpfchen reibungsfrei bewegen.
2
3.2.1 Berechnen Sie den Betrag E der elektrischen Feldstärke zwischen den Platten.
4
3.2.2 Eines der Tröpfchen besitzt die Masse m1 = 2,0 mg und eine Ladung
von q1 = + 0,15 nC.
Zeigen Sie durch Berechnung, dass die elektrische Feldkraft 33 % der
Gesamtkraft auf das Tröpfchen ausmacht.
2
3.2.3 Ermitteln Sie die Beschleunigung a1, welche das eben betrachtete Tröpfchen
erfährt.
5
3.2.4 Ein anderes Tröpfchen der Masse m2 = 1,5 mg trägt die unbekannte
Ladung q2. Es kann durch entsprechende Einstellung am Potentiometer aber in
einen Schwebezustand zwischen den Platten gebracht werden. Das Voltmeter
zeigt dabei eine Spannung von UP = 2,3 kV an.
Berechnen Sie seine Ladung q2. Geben Sie auch deren Vorzeichen an.
60