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.
Das Geschoss besitzt die Anfangsgeschwindigkeit vom Betrag
0m v 10
=
s . Nach 12,4 s passiert das Geschoss den Abschussort und fällt weiter auf die Mondoberfläche.
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1.1 Berechnen Sie aus diesen Daten die Fallbeschleunigung auf dem Mond.
M 2
Ergebnis : g 1,6 m s
=
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.
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1.3 Berechnen Sie die maximale Höhe y
maxdes 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
A1,0 cm ; y: 10 m
A1,0 cm
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1.4 Berechnen Sie den Zeitpunkt t
1, an dem das Geschoss auf der Mondoberfläche auftrifft.
[Ergebnis: t
1= 13,8 s]
2
1.5 Berechnen Sie den Betrag der Geschwindigkeit V
urend, 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!)
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. h
A= h
B= 0)!
3
2.1 Leiten Sie, ausgehend von einem Energieansatz eine Formel für den Betrag v
Bder im Punkt B erreichten Geschwindigkeit der Kugel in Abhängigkeit von der Federkonstanten D, der Kugelmasse m und der anfänglichen
Spannstrecke s
∆der Feder her.
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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
–1beträgt.
2.3 Die Feder wird jetzt soweit vorgespannt, dass die Kugel in B eine Geschwindigkeit vom Betrag v
B= 2,8 ms
–1erreicht.
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 h
Cdes Umkehrpunktes C.
5
2.3.3 Berechnen Sie den Betrag der Geschwindigkeit v
D, mit der die Kugel den Punkt D in der Höhe h
D= 25 cm passiert.
Fortsetzung nächste Seite
CD
B
∆s A hC
hD
3
d
Die Potentiometerschaltung dient dazu, eine gewünschte Versorgungsspan- nung U
Pfür den angeschlossenen Plattenkondensator einzustellen.
Mit dem Schleifkontakt können für den Potentiometerwiderstand R
PWerte 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 R
p= 0
Ωund R
p= 1,0 MΩ . Geben Sie den Bereich an, in dem die Stromstärke eingestellt werden kann.
3
3.1.2 Berechnen Sie, auf welchen Wert R
Peingestellt werden muss, damit das Voltmeter eine Spannung von U
P= 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 U
P= 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 m
1= 2,0 mg und eine Ladung von q
1= + 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 a
1, welche das eben betrachtete Tröpfchen erfährt.
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3.2.4 Ein anderes Tröpfchen der Masse m
2= 1,5 mg trägt die unbekannte
Ladung q
2. Es kann durch entsprechende Einstellung am Potentiometer aber in einen Schwebezustand zwischen den Platten gebracht werden. Das Voltmeter zeigt dabei eine Spannung von U
P= 2,3 kV an.
Berechnen Sie seine Ladung q
2. Geben Sie auch deren Vorzeichen an.
60
R1= 680 kΩ
RP
A + Uo = 10 kV
−
V UP
o
o
luftleer
