Physik - Gymnasium St. Antonius Appenzell
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Beachte:<br />
• Auf saubere und übersichtliche Darstellung<br />
achten.<br />
• Der Lösungsweg muss klar ersichtlich sein.<br />
• Für jeden Aufgabenbereich (Mechanik, Hydrostatik,<br />
etc.) ein eigenes Blatt verwenden<br />
(keine Durchmischung).<br />
• Zuerst die einfacheren Aufgaben lösen.<br />
• Dauer: 3 <strong>St</strong>unden, 8.00 - 11.00<br />
1. Elektrizitätslehre (7 P.)<br />
Ein Elektron wird in einem homogenen elektrischen Feld beschleunigt.<br />
Die Feldstärke E<br />
beträgt 2000 N/C.<br />
<strong>Gymnasium</strong> <strong>St</strong>. <strong>Antonius</strong><br />
<strong>Appenzell</strong><br />
Matura 2010<br />
5. Prüfungsfach <strong>Physik</strong><br />
Bewertung:<br />
a) Berechne den Abstand von 2 Kondensatorplatten, wenn an diese eine<br />
Spannung von 100 V angelegt wird, damit das oben genannte Feld erzeugt<br />
wird. (1 P.)<br />
b) Bestimme die notwendige Fläche des Kondensators mit Papier als Dielektrikum<br />
(grösstmöglichen Wert aus der Formelsammlung wählen), damit<br />
die im Kondensator gespeicherte Energie 10 -6 J beträgt. (2 P.)<br />
c) Berechne die Beschleunigung eines Elektrons in einem elektrischen Feld<br />
der oben genannten <strong>St</strong>ärke. (1 P.)<br />
d) Berechne die Arbeit, die am Elektron verrichtet wird, wenn dieses die gegebene<br />
Spannung von 100 V durchläuft. (1 P.)<br />
e) Berechne die Geschwindigkeit dieses Elektrons nach Durchlaufen der<br />
Spannung, wenn dieses eine Anfangsgeschwindigkeit von v0 = 0 m/s<br />
hatte. (1 P.)<br />
f) Während der Beschleunigung des Elektrons wird ein Magnetfeld parallel<br />
zum elektrischen Feld aber mit entgegengesetzt gerichteten Feldlinien<br />
angelegt. Beschreibe und begründe in Worten und mit Hilfe einer Skizze,<br />
was unter diesen Voraussetzungen genau mit dem Elektron passiert.<br />
(1 P.)<br />
Diego Bauer, 5. Juni 2010<br />
• Die Punkte werden gemäss<br />
Angaben vergeben.<br />
• Die maximale Punktzahl beträgt<br />
45 Punkte.<br />
• Note 6: 40 Punkte<br />
Note 4: 24 Punkte<br />
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2. Hydrostatik und Gasgesetze (8 P.)<br />
Ein Fussball von 450 g Masse und einem Durchmesser von 22 cm ist mit einem Druck von 3 bar<br />
aufgepumpt. Die Temperatur betrage ϑ = 20° C.<br />
a) Berechne, wie viele Mol Luft der Fussball enthält, wenn die Wandstärke<br />
des Balles vernachlässigt wird. (2 P.)<br />
b) Bestimme die Masse der eingeschlossenen Luft. (1 P.)<br />
c) Der Ball wird nun 4 m unter Wasser gedrückt, wobei sich die Temperatur<br />
ϑ nicht verändert. Bestimme das Volumen des Balles. (2 P.)<br />
d) Berechne die resultierende Kraft, die den Ball in 4 m Wassertiefe nach<br />
oben treibt. Bestimme hierzu zuerst die neue Dichte des Balles. (2 P.)<br />
e) Diskutiere qualitativ unter Berücksichtung der Eigenschaften der eingeschlossenen<br />
Luft, welcher Zusammenhang zwischen der effektiven Auftriebskraft<br />
und der Wassertiefe besteht.<br />
(1 P.)<br />
3. Mechanik (12 P.)<br />
Ein Schütze schiesst aus dem <strong>St</strong>and mit einer Luftpistole aus einer Distanz von 10 m auf eine<br />
Zielscheibe und trifft genau ins Schwarze. Der Abschuss erfolgt horizontal auf einer Höhe von<br />
1.60 m, die Mitte der Zielscheibe befindet sich auf einer Höhe von 1.55 m.<br />
a) Berechne die Geschwindigkeit des Projektils beim Verlassen des Laufes unter<br />
Vernachlässigung des Luftwiderstandes. (2 P.)<br />
b) Berechne die Masse des Projektils, wenn dieses aus Blei besteht und nebenstehende<br />
Spezifikationen aufweist. (2 P.)<br />
c) Bestimme die mittlere Beschleunigung des Projektils im Pistolenlauf<br />
(Länge: 20cm). (1 P.)<br />
d) Berechne die mittlere Kraft, die auf das Projektil wirkt. (1 P.)<br />
e) Bestimme die verrichtete Arbeit an der Kugel während der Beschleunigung<br />
im Lauf. (1 P.)<br />
Ein anderer Schütze schiesst mit Pfeil und Bogen. Die Distanz zwischen Schütze und Scheibe ist<br />
30 m. Der Bogen hat eine “Federkonstante” von 320 N/m, der Pfeil wiegt 200 g.<br />
f) Bestimme die Spannarbeit, die der Schütze verrichten muss, wenn zum<br />
Spannen der Sehne eine Distanz von 0.8 m überwunden wird. (1 P.)<br />
g) Berechne die Geschwindigkeit, mit der der Pfeil den Bogen verlässt, wenn<br />
die Spannarbeit zu 100 % an ihm verrichtet wird. (1 P.)<br />
h) Nach dem Turnier hängt der Schütze den Bogen in der Mitte der Sehne an<br />
einen Nagel und der Bogen schwingt nach und zwar mit einer Frequenz von<br />
2.5 Hz. Berechne die Schwingungsdauer und die Masse des Bogens. (2 P.)<br />
i) Begründe: handelt es sich bei diesem Phänomen um eine harmonische<br />
Schwingung, wenn alle Widerstände (Reibung, Luft, etc.) ausser Acht gelassen<br />
werden? (1 P.)<br />
Matura, 5.6.2010, Bd <strong>Gymnasium</strong> <strong>St</strong>. <strong>Antonius</strong>, <strong>Appenzell</strong> Seite 2 / 4<br />
4.5 mm<br />
∅<br />
3 mm<br />
2 mm
4. Kinematik, Impuls, schiefer Wurf (10 P.)<br />
Allgemeine Angaben zum Hornussen<br />
• Nuoss: 78g,<br />
• Träf: 300 g<br />
• Länge <strong>St</strong>ecken: 3 m<br />
Messungen der ETH haben ergeben:<br />
(gemäss http://www.hgwattenwil.ch/was-ist-hornussen/<br />
[accessed: 21.5.2010])<br />
• Flugweite: 330 m<br />
• Abschlaggeschwindigkeit der Nuoss: 306 km/h<br />
• Geschwindigkeit des Träfs kurz vor dem Abschlag:<br />
60 m/s<br />
a) Die angegebene Flugweite wurde unter Einfluss des<br />
Luftwiderstandes erreicht.<br />
Bestimme mit den obigen Angaben, wie gross die theoretisch<br />
mögliche Flugweite (also ohne Luftwiderstand)<br />
ist unter der Annahme, dass die Nuoss unter<br />
dem idealen Winkel wegfliegt und die Abschlaghöhe<br />
30 cm beträgt. (2 P.)<br />
b) Bestimme den Wirkungsgrad des Schlages durch das<br />
Träf: (3 P.)<br />
- Beschreibe zuerst in Worten deinen Ansatz.<br />
- Berechne schliesslich den Wirkungsgrad.<br />
c) Berechne die durchschnittliche Kraft auf die Nuoss im<br />
Moment des Abschlages, wenn diese während<br />
1/1000 s gewirkt und zur entsprechenden Impulsänderung<br />
der Nuoss geführt hat. (1 P.)<br />
d) Beschreibe, wie du den Energieverlust der Nuoss<br />
durch den Luftwiderstand abschätzen kannst und berechne<br />
nach deiner Methode eine plausible Zahl.<br />
(4 P.)<br />
<strong>St</strong>ecken<br />
Nuoss<br />
(Flugkörper)<br />
Bock<br />
Bild: http://www.emmental-tours.ch/ [21.5.2010]<br />
Seite 3 / 4 <strong>Gymnasium</strong> <strong>St</strong>. <strong>Antonius</strong>, <strong>Appenzell</strong> Matura, 5.6.2010, Bd<br />
Träf
5. Vermischte Bereiche (8 P.)<br />
a) Ergänze: In einem unbelasteten Transformator entspricht das Verhältnis<br />
aus der angelegten und der induzierten Spannung<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
Gib ein Beispiel für den Einsatz von Transformatoren im Haushalt: . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
b) Werden zwei gleiche Widerstände parallel statt seriell geschaltet, so<br />
fliesst nachher (mehr / weniger / gleich viel)<br />
<strong>St</strong>rom durch jeden einzelnen Widerstand. (1 P.)<br />
c) Die Induktivität einer Spule ist ein Mass für . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
d) Eine Frontalkollision von zwei Autos ist physikalisch gesehen eindeutig ein<br />
<strong>St</strong>oss, denn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
e) Ist die Summe aller auf einen Körper wirkenden Kräfte null, so . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
f) Newton’s Wechselwirkungsgesetz besagt in Worten ausgedrückt, dass<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
Für das Kräfteverhältnis zwischen Erde und Mond bedeutet dies konkret,<br />
dass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)<br />
Matura, 5.6.2010, Bd <strong>Gymnasium</strong> <strong>St</strong>. <strong>Antonius</strong>, <strong>Appenzell</strong> Seite 4 / 4