FAP_Test_02_2009

PHYSIK TEST
1. Wieso kann man die Einheit der Energie (J) auch als
W·s schreiben? [1 P.]
Spannungen über den drei Elementen und die Ströme
durch die beiden Zweige. [6 P.]
2. Warum haben Leistung und Änderungsrate der Energie
die gleiche Einheit? [1 P.]
4. Wie kann man die Einheit der elektrischen Kapazität
(F: Farad) durch andere elektrische Einheiten ausdrükken? [1 P.]
5. Eine elektrische Wasserpumpe wird bei 220 V mit einem elektrischen Strom von 5.0 A betrieben. Wie gross
ist die hydraulische Leistung, wenn die Pumpe einen
Wirkungsgrad von 80% hat? [2 P.]
7. Ein elektrischer Motor treibt eine Wasserpumpe. Behandeln Sie Motor und Pumpe als separate reale Systeme, und zeichnen Sie das kombinierte Prozessdiagramm von Motor und Pumpe. Bezeichnen Sie alle
wichtigen Grössen im Diagramm und erklären Sie
wichtige Beziehungen. [5 P.]
8. Eine 100 W Glühlampe brennt 4 Stunden pro Tag ein
ganzes Jahr lang. (a) Wieviel Energie braucht sie in diesem Jahr? (In Joule und in kWh). (b) Wenn man eine
Sparlampe benutzt, die bei gleichem Licht nur 20% der
Energie braucht, wieviel Energie wird dann in einem
Jahr gespart (in kWh)? (c) Wenn eine kWh elektrische
Energie 20 Rappen kostet, wieviel hat man dann gespart? [4 P.]
9. Von vier Widerstandselementen wurde die Charakteristik ausgemessen (siehe Diagramm). Man schaltet Widerstände 1 und 3 in Serie und parallel dazu den Widerstand 2. Diese Kombination wird an eine Spannungsquelle mit 2.0 V angeschlossen. Bestimmen Sie die
FAP, Feb. 2010
0.8
2
[
[
3
[
0.4
[
[
[
[
[
[
[
[
[
[
[
[
[
0.0
0.00
[
[
[
[
0.25
[
[
[
[
[
[
[
[
4
[
[
0.50
0.75
Spannung / V
[
[
1.00
10. Im Diagramm sieht man die Charakteristik einer Glühlampe. (a) Wie stark wird der elektrische Strom, wenn
man eine Lampe an eine (ideale) Spannungsquelle mit
5.0 V anschliesst? (b) Wie gross wird die elektrische
Stromstärke, wenn man zwei Lampen in Serie an 5.0 V
anschliesst? (c) Welche Spannung und welche Stromstärke ergeben sich für eine Lampe, wenn man sie an
eine reale 4.5 V Batterie mit einem Innenwiderstrand
von 1.0 Ω anschliesst? [6 P.]
1.50
Strom / A
6. Ein hydroelektrisches Kraftwerk hat eine elektrische
Leistung von 137 MW. Der Volumenstrom des Wassers ist 18.0 m3/s, und das Wasser fällt 890 m tief. Wie
gross ist der Wirkungsgrad des Kraftwerks? [3 P.]
[
1
Strom / A
3. Stimmt die folgende Einheitengleichung? J = V/C (C:
Coulomb, Einheit der elektrischen Ladung). [1 P.]
1.2
1.00
0.50
[
0.00 [
0.00
[
[
[
[
2.00
[
[
[
[
[
[
[
[
4.00
6.00
Spannung / V
[
8.00
Hans U. Fuchs, Physik
LÖSUNGEN
1. W ist die Einheit der Leistung (pro Sekunde freigesetzte
Energie), also W = J/s, also J = W·s.
2. Leistung: pro Sekunde freigesetzte Energie; Änderungsrate der Energie: Änderung der Energie pro Sekunde.
3. Nein. Richtig: W = V·A, also J = V·A·s = V·C.
4. Q = CU, also [C] = [Q/U] = C/V.
5. Eine elektrische Wasserpumpe wird bei 220 V mit einem elektrischen Strom von 5.0 A betrieben. Wie gross
ist die hydraulische Leistung, wenn die Pumpe einen
Wirkungsgrad von 80% hat? [2 P.] P_hydr = 0.80·P_el
= 0.80·U·I_Q = 0.80·220·5.0 W = 880 W.
6. P_el = η·g∆h·I_m, also η = P_el / (g∆h·I_m) = 137·106
/ (10·890·18000) = 0.86.
7.
Motor
Entropie
IL
IQ
ϕ1
Pumpe
Entropie
ϕ2
ω1
ω2
IV
P1
P2
8. (a) ∆t = 4 h/d · 365 d = 1460 h, W_el = 1.46·105 Wh =
146 kWh = 5.26·108 J.
(b) W_gespart = 0.80·146 kWh = 117 kWh.
(c) Kosten gespart: 0.20 Fr/kWh · 117 kWh = 23.40 Fr.
9. R1 = 0.27 Ω, R2 = 0.98 Ω, R3 = 1.9 Ω.
R1+3 = R1 + R3 = 2.17 Ω. I_Q(1+3) = 2.0 V / 2.17 Ω
= 0.92 A. U_R1 = 0.25 V, U_R3 = 1.75 V.
I_Q(2) = 2.0 V / 0.98 Ω = 2.04 A. U_R2 = 2.0 V.
10. (a) 0.99 A (direkt aus Charakteristik abgelesen). (b)
Für jede Lampe ist die Spannung 2.5 V, also: 0.63 A
(bei 2.5 V aus Diagramm abgelesen, ist nicht gleich
0.99/2 A!). (c) Durch Annehmen von Werten und Verbessern von angenommenen Werten. Spannung über
Innenwiderstand plus Spannung über Lampe müssen
zusammen 4.5 V ergeben. Strom durch Batterie (oder
Innenwiderstand) und Lampe muss gleich sein. Erste
Annahme: U_L1 = 4.5 V, dann I_Q1 = 0.92 A (aus
Diagramm), dann U_Ri1 = 1.0 Ω · 0.92 A = 0.92 V,
dann U_L2 = 4.5 V – 0.92 V = 3.58 V, dann I_Q2 =
0.78 A (aus Diagramm), dann U_Ri2 = 0.78 V, dann
U_L3 = 4.5 V – 0.78 V = 3.72 V, dann I_Q3 = 0.81 A
(aus Diagramm), also U_Ri3 = 0.81 V (nun stimmt die
Aufteilung der Spannungen ungefähr). Also: U_L =
3.7 V, I_Q = 0.80 A.
Elektrische Ladung setzt Energie frei, die elektrische
Leistung ist gleich Rotationsleistung plus thermische
Leistung des Motors. Die Rotationsleistung der Pumpe
ist gleich der Rotationsleistung des Motors. Hydraulische Leistung plus thermische Leistung der Pumpe ist
gleich Rotationsleistung.
FAP, Feb.
Jan. 2007
Nov.
2010
2008
Hans U. Fuchs, Physik