Klausur PH 1-04-07-16-Lo sungen

Name:
Matrikelnummer:
Studienfach:
Physik 1 am 04.07.2016
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachbereich Mechatronik und
Maschinenbau
Zugelassene Hilfsmittel zu dieser Klausur: Beiblätter zur Vorlesung Physik 1 ab
WS 10/11 (Prof. Sternberg, Prof. Müller, Prof. Lütticke, Prof. Albers) ohne
Veränderungen oder Ergänzungen, Taschenrechner (ohne drahtlose Übertragung mit
einer Reichweite von größer als 30 cm wie Funkmodem, IR-Sender, Bluetooth), kein
PDA oder Laptop.
Dauer: 2 Stunden
Maximal erreichbare Punktezahl: 100.
AUFGABE
1a
1b
1c
2a
2b
2c
2d
2e
3a
3b
3c
3d
3e
3f
3g
4a
4b
4c
Form
Gesamt
MÖGLICHE
ERREICHTE
PUNKTZAHL PUNKTZAHL
5
5
14
10
3
3
3
5
3
3
3
4
4
4
3
9
13
2
Bitte beginnen Sie die Lösung der
Aufgabe unbedingt auf dem
betreffenden Aufgabenblatt! Falls Sie
weitere Blätter benötigen, müssen
diese unbedingt deutlich mit der
Aufgabennummer gekennzeichnet
sein.
Achtung! Bei dieser Klausur werden
pro Aufgabe 1 Punkt für die Form
(Gliederung, Lesbarkeit,
Rechtschreibung) vergeben!
Bitte kennzeichnen Sie dieses Blatt und
alle weiteren, die Sie verwenden, mit
Ihrem Namen, Ihrer Matrikelnummer
und Ihrem Studienfach.
4
100
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1. Kleine Dinge, aber nicht zu vernachlässigen
a) Welche der folgenden Einheiten sind keine physikalischen Grundeinheiten? Falsche
Kreuze ergeben negative Punkte.
O Fuß
O kg
O N*s2
O J/W
Om
O Ampere O Volt
O kg
O Celsius
O PS
b) Bei dieselelektrischen Antrieben z. B. in Zügen haben die Motoren ein (relativ)
konstantes Drehmoment. Züge haben kein (Schalt-)getriebe wie Autos. Welche der
folgenden Aussagen sind richtig. (Reibung vernachlässigt.)
O
O
O
O
O
die Kraft ist konstant
die Kraft nimmt linear zu
die Geschwindigkeit nimmt linear mit der Zeit zu
die Geschwindigkeit nimmt quadratisch mit der Zeit zu
der zurückgelegte Weg nimmt quadratisch mit der Zeit zu
c) Schreiben Sie in ein oder zwei Sätzen die Antwort bzw. Begründung.
1. Bei einen Kran liegt die max. Kraft bei 6 t. Ist diese Aussage physikalisch korrekt?
2. Der Kartoffelsack wiegt 50 kg. Ist dieses physikalisch korrekt ausgedrückt?
3. Je größer die Geschwindigkeit eines Balls, desto mehr Energie? Richtig oder falsch?
4. Gewitterwolken sind mit Energie geladen? Richtige Ausdrucksweise?
5. Der Torwart gibt dem Ball einen Kraftstoß? Ist dieses physikalisch korrekt
ausgedrückt?
6. Bei einem Lattenschuss beim Fußball kommt der Ball mit dem gleichen Impuls
zurück? Begründung, ob falsch oder richtig!
7. Auf dem Mond ist das Gewicht bedeutend geringer. Ist dieses physikalisch korrekt
ausgedrückt?
Lösung:
a) Welche der folgenden Einheiten sind keine physikalischen Grundeinheiten? Falsche
Kreuze ergeben negative Punkte.
x Fuß
O kg
x N*s2
O J/W
Om
O Ampere X Volt
O kg
x Celsius
X PS
b) Bei dieselelektrischen Antrieben z. B. in Zügen haben die Motoren ein (relativ)
konstantes Drehmoment. Züge haben kein (Schalt-)getriebe wie Autos. Welche der
folgenden Aussagen sind richtig. (Reibung vernachlässigt.)
x die Kraft ist konstant
O die Kraft nimmt linear zu
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x die Geschwindigkeit nimmt linear mit der Zeit zu
O die Geschwindigkeit nimmt quadratisch mit der Zeit zu
x der zurückgelegte Weg nimmt quadratisch mit der Zeit zu
c)
1. NEIN Kraft wird nicht in t (= Masse) ausgedrückt.
2. Nein Gewicht ist nicht gleich Masse
3. Ja . Je höher die Geschwindigkeit desto höher die kinetische Energie allerdings
quadratische Abhängigkeit.
4. Ja. Sie beinhalten elektrische Ladung als potentielle Energie
5. Ja. Sobald er den Ball wegschießt oder wirft, drückt er mit einer Kraft ein
Zeitintervall auf den Ball
F * Δt
6. JA. Der Impuls geht ist genau so groß, wie der Impusl vor dem Lattenschuss, aber
in die entgegengesetzte Richtung
7. JA Gewicht wird durch die Anziehungskraft bestimmt.
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2. Arbeit, Energie und Leistung
a) Welche 5 Aussagen sind zutreffend? (Setzen Sie nur 5 Kreuze. Für jedes Kreuz
mehr wird ein Punkt abgezogen!)
1. Wird eine Masse an einem Seil mit konstanter Geschwindigkeit angehoben, so wird
nur Hubarbeit und keine Beschleunigungsarbeit geleistet.
2. Wird eine elastische Schraubenfeder unter Spannung gehalten, so wird Arbeit
verrichtet.
3. Bei einem Fadenpendel ist die kinetische Energie am höchsten Punkt am größten
4. Die Einheit der potentielle Energie lautet J (Joule) oder Nm
5. Die Einheit der Leistung ist J (Joule).
6. Die Energie kennzeichnet die Fähigkeit eines Körpers oder Systems, Arbeit zu
verrichten.
7. Bei einen Fadenpendel schwankt die Gesamtenergie des Systems periodisch
8. Die potentielle Energie ist nur bis auf eine Konstante bestimmt.
9. Die Beschleunigungsarbeit, die an einem Körper geleistet wird, ist gleich der
Differenz der kinetischen Energien von End- und Anfangszustand.
10. Auch wenn nichtkonservative Kräfte wirken, bleibt die mechanische
Gesamtenergie (E = Epot + Ekin) erhalten.
a) Zwei Jugendliche mit den Massen m1 = 55kg und m2 = 40kg sitzen auf einem
Schlitten und werden von einem Pferd über ein ebenes, l = 200m langes Schneefeld
gezogen. Der Schlitten wiegt mS = 5kg , die Reibungszahl von Metall auf Schnee
beträgt µG =0,04. Welche Arbeit verrichtet das Pferd?
b) Zum Ziehen eines Schlittens sei eine horizontale Kraft von F = 300N nötig. Wie
groß ist die mechanische Leistung, wenn der Schlitten mit v = 0,75m/s gezogen wird?
c) Ein Löschfahrzeug der Feuerwehr pumpt mit einer Leistung von 5kW Wasser in
h = 15m Höhe. Wie viel Liter Wasser stehen den Feuerwehrleuten in einer Sekunde,
wie viel in einer Minute zur Verfügung?
d) Ein PKW mit einer Masse von mP = 1000kg und ein LKW mit einer Masse von
mL = 1000kg fahren jeweils v = 50km/h. Wie groß sind die Bewegungsenergien der
beiden Fahrzeuge? Wie groß ist die Bewegungsenergie des PWKs, wenn seine
Geschwindigkeit verdoppelt bzw. verdreifacht wird?
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Musterlösung:
o
Wird Eine Masse wird an einem Seil mit konstanter Geschwindigkeit angehoben, so wird
nur Hubarbeit und keine Beschleunigungsarbeit geleistet.
o
Wird eine elastische Schraubenfeder unter Spannung gehalten, so wird Arbeit verrichtet.
o Bei einem Fadenpendel ist die kinetische Energie am höchsten Punkt am größten
o Die SI-Einheit der Energie lautet J (Joule)
o Die Einheit der Leistung ist J (Joule).
o Die Energie kennzeichnet die Fähigkeit eines Körpers oder Systems, Arbeit zu
verrichten.
o Die potentielle Energie ist nur vom Weg abhängig.
o Die potentielle Energie ist nur bis auf eine Konstante bestimmt.
o Die Beschleunigungsarbeit, die an einem Körper geleistet wird, ist gleich der
Differenz der kinetischen Energien von End- und Anfangszustand.
o Auch wenn nichtkonservative Kräfte
Gesamtenergie (E = Epot + Ekin) erhalten.
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wirken,
bleibt
die
mechanische
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3. Massenpunkte
Zwei Massenpunkte der Masse m1 = 200g und m2 = 500g rotieren aufgrund äußerer
Kräfte auf einer Kreisbahn, die in der x-y-Ebene liegt. Die Rotation erfolge mit
konstanter Winkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn. Der Mittelpunkt der Kreisbahnen
sei der Koordinatenursprung (0 ; 0). Die Gravitationswechselwirkung zwischen den
Massenpunkten sei vernachlässigbar.
Die beiden Massepunkte haben beim Zeitpunkt t0 folgende Koordinaten (Einheit im
Koordinatensystem ist cm):
Punkt 1: (5 ; 0) ; Punkt 2: (-5 ; 0)
Die Winkelgeschwindigkeit des ersten Massenpunktes sei 4 1/s, die des zweiten 10
1/s.
a) Welche Geschwindigkeit hat der erste Massepunkt?
b) Welche Beschleunigung besitzt der zweite Massepunkt?
c) Welche Winkelbeschleunigung besitzt der erste Massepunkt?
d) Fertigen Sie eine Skizze von den Positionen der beiden Massepunkte in einem
Koordinatensystem bei t0 an und zeichnen Sie die Bahnen der beiden Massepunkte
ein.
e) Der erste Massepunkt erreicht den zweiten beim Zeitpunkt t1. Nach wieviel
Sekunden wird t1 erreicht?
f) Wie viele Umdrehungen bzw. welchen Bruchteil einer Umdrehung hat der erste
Massepunkt bis zum Zusammenstoß vollzogen? Wenn Sie e) nicht lösen konnten,
nehmen Sie t1 = 1,0 s an.
g) Berechnen Sie den Ort des Zusammenstoßes und tragen Sie ihn in die Skizze ein.
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4. Reifen
Sie haben zwei Räder von einem PKW. Die eine besteht aus Aluminium und die
andere besteht aus Stahl. Sie haben Felgen mit 16 Zoll Durchmesser und einer Breite
von 195 mm. Die Masse beträgt 18 kg bei Stahl und 18,7 kg bei Aluminium. Es ist ein
„Märchen“, dass Alu-Felgen leichter sind. (Dieses gilt nur für geschmiedete
Alufelgen.) Tun Sie so, als hätten Sie zwei Hohlzylinder mit diesen Abmessungen.
a) Berechnen Sie die Massenträgheitsmomente beider Felgen.
b) Das Gesamtmasse des Autos mit Stahlfelgen sei 1 Tonne. Wie viel % mehr
kinetische Energie hat das Auto bei Alufelgen, wenn es 50 km/h fährt.
c) Was könnte man noch als Material anstatt Alu einsetzen, welches noch leichter ist
(Geld spielt keine Rolle)?
Zylinder, der um seine Zylinderachse rotiert: Iz = ½ * r² * m
Zylinder, der um eine Achse rotiert, die senkrecht zur Zylinderachse steht und durch
seinen Schwerpunkt geht: Izs = ¼ * r² * m + 1/12 * m * ℓ²
Imassepunkt = r² * m
Hohlzylinder, der um seine Zylinderachse rotiert: Ihzyl = m (ra2 + ri2)/2 mit
ra = Außendurchmesser und ri = Innendurchmesser
Dichte von Stahl: 7,85 g/cm3, Dichte von Alu: 2,71 g/cm3
1 Zoll = 2,54 cm
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c)
Man könnte Felgen aus einer Magnesium-Verbindung herstellen.
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