2015.2 - Physik

PHYSIK Prüfung 1.2 (2015/06/16)
Dynamik & Energie
Zeit: 100 min
Name:
Klasse: 15-
Punkte:
Note:
Erfahrungsnote:
Prüfungsbedingungen: - Total sind 55 Punkte möglich. 48P = Note 6, 28P = Note 4.
- Alle Schritte müssen nachvollziehbar sein. Schlussresultate ohne Herleitung geben keine Punkte!
Erlaubte Hilfsmittel:
- Schreibutensilien, Taschenrechner, Formelsammlung, Skript
1. Multiple Choice (5P)
Kreuze die korrekten Antworten an. Falsche Antworten geben Abzug.
a) Bringt der vor einen Eisenbahnwagen gehaltene Magnet den Eisenwagen zum Fahren?
□ ja, er fährt los
□ er fährt, wenn es keine Reibung gibt
□ nein, er fährt nicht
b) Ein Klotz wird aus der Höhe h fallen gelassen und schlägt auf dem Boden auf. Dabei wirkt eine Bremskraft von
10 N. Nun lässt man den Klotz am gleichen Ort aus der vierfachen Höhe 4h fallen. Der Klotz wird in der
gleichen Zeit wie im ersten Fall abgebremst. Dabei wirkt eine Bremskraft von…
□ 10 N
□ 20 N
□ 40 N
□ kann man nicht sagen
c) Ein kleiner Schlitten von einem Kilogramm Masse wird auf reibungslosem Eis mit einem Spielzeugraketenantrieb bewegt. Nach Verbrauch der Raketenfüllung gleitet der Schlitten mit 1 m/s über’s Eis. Wie viel Kraft übte
die Rakete auf den Schlitten aus, um ihn auf Trab zu bringen?
□
□
□
□
10 N
40 N
80 N
kann man nicht sagen
d) Einen Lastwagen, der sich in Ruhe auf einem Hügel befindet, lässt man hinabrollen. Unten angekommen beläuft
sich die Geschwindigkeit auf 4 km/h. Als nächstes rollt der LKW noch mal vom Hügel herab, aber diesmal mit
einer Anfangsgeschwindigkeit von 3 km/h, die er schon vor der Abwärtsfahrt besass, Unten angekommen, wie
schnell ist er dann?
□ 3 km/h
□ 4 km/h
□ 5 km/h
□ 6 km/h
□ 7 km/h
e) Ein Klotz von 1 kg wird an eine Feder gehängt, welche sich dadurch um 10 cm dehnt. Anstelle des 1 kg Klotzes
hängt man nun 4 kg an die Feder. Dadurch dehnt sich die Feder um…
□ 20 cm
□ 40 cm
□ 80 cm
□ 160 cm
Bitte wenden!
2. Klotz auf schiefer Ebene (10P)
Ein Klotz (m = 15 kg) haftet auf einer schiefen Ebene mit der Neigung a = 35°.
Der Haftreibungskoeffizient zwischen Klotz und Ebene beträgt mH = 0.80, der
Gleitreibungskoeffizient mG = 0.60.
F
a) Welche Haftreibungskraft wirkt? (2P)
b) Nun erhöht man die Neigung auf a = 40°. Mit welcher Beschleunigung
gleitet der Klotz abwärts? (4P)
c) Mit welcher Kraft F müsste man mindestens senkrecht auf den Klotz
drücken, damit dieser trotzdem nicht zu gleiten beginnt? (4P)
m
a
3. Güterzug (10P)
Eine Re 6/6 Lokomotive der SBB mit einer Gewichtskraft von 1.2 MN steht mit 20 angehängten Güterwagen zu je
40 t vor einem Rotlichtsignal auf horizontaler Strecke. Die maximale Anfahrzugkraft (= maximale Haftreibung),
welche alle Räder der Lokomotive zusammen auf die Schienen übertragen können, beträgt 395 kN. Der
Reibungskoeffizient der rollenden Räder des Güterwagens beträgt 0.01. (vernachlässige die Rollreibung bei der
Lok). Das Signal wechselt auf grün und der Güterzug fährt mit a = 0.10 m/s2 an.
a) Welche resultierende Kraft wirkt beim Anfahren auf die Lokomotive? (3P)
b) Mit welcher Kraft wird die Kupplung zwischen der Lokomotive und dem ersten Wagen beim Anfahren
belastet? (3P)
c) Welche Anfahrbeschleunigung kann die Re 6/6 mit den angehängten Güterwagen maximal erreichen? (4P)
(Für volle Punktzahl muss der vollständige Lösungsansatz vorhanden sein und es wird erwartet, dass die
verschiedenen Grössen eindeutig bezeichnet werden.)
4. Loopingbahn (10P)
Eine kleine Kugel (m = 500 g) rollt ausgehend von Position A einen Hang hinunter und danach durch die
Loopingbahn (r = 80 cm). An der Position B hat die Kugel eine Geschwindigkeit von vB = 6.0 m/s.
(Rotationsenergie & Ausdehnung der Kugel sowie Reibung vernachlässigen)
a) Aus welcher Höhe hA (über dem Boden) startete die Kugel? (3P)
b) Welche Geschwindigkeit hat die Kugel an der Position C? (3P)
c) Mit welcher Kraft wird die Loopingbahn an der Position C belastet? (4P)
A
C
hA
Looping
r = 80 cm
vB
B
5. Fallender Klotz (10P)
Ein Klotz (m = 250 g) fällt auf eine entspannte vertikale Feder (D = 250 N/m). Der Klotz
drückt die Feder um maximal 12 cm zusammen, bevor er wieder nach oben spickt.
a) Wie groß ist die Arbeit, welche der Klotz an der Feder beim Zusammendrücken
verrichtet? (2P)
b) Welche Geschwindigkeit hatte der Klotz kurz vor dem Auftreffen auf der Feder? (5P)
c) Wie weit spickt der Klotz wieder nach oben (gemessen aber der zusammengedrückten
Position der Feder), wenn 20% der Federenergie verloren gehen? (3P)
6. Rotierende Schiene (10P)
Auf einer mit w = 4.5 s-1 waagrecht rotierenden Schiene befinden sich zwei gleich schwere Wagen (m = 8.5 kg) im
gleichen Abstand r = 30 cm zur senkrechten Drehachse. Die beiden Wagen sind mit einem Seil miteinander
verbunden und können sich reibungsfrei auf der waagrecht rotierenden Schiene nach innen oder aussen bewegen.
Das Seil ist für eine maximale Zugspannung (Belastungskraft) von 100 N ausgelegt bevor es reisst.
a) Welche Zeitdauer brauchen die Wagen für eine Umdrehung und welche Strecke legen sie dabei zurück? (2P)
b) Wie gross ist die resultierende Kraft die jeder Wagen während der Drehung erfährt? (2P)
c) Wie schnell (w = ?) darf die Schiene maximal drehen, damit das Seil gerade noch nicht reisst? (3P)
d) Falls der rechte Wagen doppelt so schwer wäre wie der linke: Wie müsste man die Wagen auf der rotierenden
Scheibe platzieren (Abstände r zur Drehachse angeben), damit während dem Drehen die beiden Wagen ihre
Position auf der Scheibe nicht verändern, d.h. sich weder nach innen noch nach aussen bewegen? (die gesamte
Seillänge bleibt unverändert). Begründe physikalische präzise inkl. Rechnung! (1P Resultat, 2P Begründung)
r
r
m
m
w