0-Serie Naturwissenschaften (Technik und Architektur) · Zeichnen Sie oben (Aufgabe b)) ... mol/l. (0.5 P.) 7. H ... b) Würde der Quader gegenüber der in Teilfrage a geschilderten

Berufsmaturitätsschulen Uster; Winterthur; Zürich

Prüfung Naturwissenschaften (Technik u. Architektur) 0-Serie 2015 1

Prüfung Naturwissenschaften (Technik u. Architektur) 0-Serie 2015

Hilfsmittel: Rechner CAS; Periodensystem; Formelbuch; Spick (Anzahl Blätter noch zu klären)

Teil 1 (Chemie); 40 Minuten (Total 40 Pkt.) Reinstoffe ‐ Eigenschaften und Aufbau (19 P)

a) Beurteilen Sie die Aussagen zu einer Auswahl von Reinstoffen, unter anderem Sarin, Natriumphosphat, Fluor, Natrium auf ihre Richtigkeit.

Machen Sie in der Tabelle ein entsprechendes Kreuz. Pro falsch platziertes oder fehlendes Kreuz gibt es einen halben Punkt Abzug. Minimum: 0 Punkte.

Korrigieren Sie die falschen Aussagen, indem Sie die unterstrichenen Wörter im Bedarfsfall ergänzen/ersetzen.

Als Informationsquelle dienen Ihnen das Periodensystem der Elemente und die beiden Steckbriefe aus Wikipedia. (5 P)

Allgemeines

Name Sarin

Summenformel C4H10FO2P

Eigenschaften

Dichte 1,09 g·cm−3

Schmelzpunkt −56 °C

Siedepunkt 147 °C

Löslichkeit • mischbar mit Wasser • leicht löslich in organischen Lösemitteln

Allgemeines

Name Natriumphosphat

Summenformel Na3PO4

Eigenschaften

Dichte 1,62 g·cm−3

Schmelzpunkt 75 °C

Löslichkeit gut in Wasser (285 g·l−1 bei 20 °C)



richtig falsch

Sarin ist ein Gemisch aus fünf chemischen Elementen.

Sarin ist eine Ionenverbindung.

Sarin ist bei Raumtemperatur flüssig.

Drei der chemischen Elemente in Sarin kommen auch in Wasser vor.

Das chemische Element Phosphor kann als Elementarstoff vorkommen, ist aber auch in M l k l bi d d i I bi d h l

Der Elementarstoff Fluor ist bei -100°C fest.

Natrium kann in Molekülverbindungen nicht vorkommen.

Natrium hat bei Raumtemperaturdenselben Aggregatzustand wie Natriumphosphat.

Ein Gemisch aus Natriumphosphat und Wasser bildet eine Suspension.

b) Das Sarin-Molekül kann mit folgender Lewis-Formel dargestellt werden. Zeichnen Sie zur selben Summenformel (C4H10FO2P) zwei alternative Lewis-Formeln für isomere Stoffe. (2 P)

P

O

OC

F

H

H

H

C

C

CH

HH

H

H HH



c) Dank der Bildung von H-Brücken löst sich Sarin im Wasser. Zeichnen Sie oben (Aufgabe b)) neben die Lewis-Formel von Sarin zwei Wasser-Moleküle mit Lewis-Formeln und skizzieren Sie zwei unterschiedliche H-Brücken zwischen diesen und dem Sarin-Molekül (2 P)

d) Die Herkunft von Stoffen kann man oft durch das Verhältnis von Isotopen einer bestimmten Atomsorte bestimmen. Bei Sarin würde sich z.B. Sauerstoff oder Kohlenstoff eignen. Von Sauerstoff gibt es hauptsächlich die Isotope O-16 und O-18, bei Kohlenstoff C-12 und C-13.

Notieren Sie dasjeweils häufigere Isotop der beiden Elemente (1 P):

Beschreiben Sie für alle4 Isotope die Zusammensetzung der Atomkerne. (2P)

O-16

O-18,

C-12

C-13

e) Zeichnen Sie das Phosphor-Atom im Schalenmodell (2 P)



f) Natriumphosphat hat einen deutlich höheren Schmelz- und Siedepunkt als Sarin. Begründen Sie diese Beobachtung mit Ihrem Wissen über chemische Bindungen und Kräfte zwischen Teilchen.(2P)

g) Es gibt verschiedene Phosphatsalze in der Natur. Versuchen Sie mit Hilfe des Periodensystems 3 weitere Phosphatsalze zu generieren und diese jeweils mit einer korrekten Verhältnisformel und dem richtigen Namen zu beschreiben(3P)

Name eines Phosphatsalzes Verhältnisformel



Chemische Reaktionen (21 P)

2.1 Säure und Basen und ihre Reaktionen mit Wasser (12 P)

1. Weshalb kann Wasser sowohl als Base als auch als Säure reagieren? Antworten Sie in ganzen Sätzen. (2 P.)

2. Wenn 0.01 mol Salpetersäure (HNO3) mit einem Liter Wasser reagiert, dann hat die dabei

entstehende Lösung einen pH-Wert von .......... (1 P.)

3. Eine Natronlauge mit pH 9 enthält Hydronium-Ionen in der Konzentration ............... mol/l. (1 P.)

4. Je saurer ein wässrige Lösung ist, desto. ........................... (höher / tiefer) liegt der pH-Wert

und desto ................................... (höher / tiefer) ist die Konzentration der Hydronium-Ionen.

(1 P.)

5. Natronlauge ist eine wässrige Lösung, welche ............................ (mehr / gleich viel / weniger)

Hydronium-Ionen enthält als OH--Ionen (Hydroxid-Ionen). (0.5 P.)

6. Im Leitungswasser beträgt die Konzentration der Hydronium-Ionen rund..............mol/l. (0.5 P.)

7. H2SO4 ist die Formel für ..................................................................... (1 P.)

8. In der Reaktion von Wasser mit Calciumoxid (gebrannter Kalk, CaO) reagieren die Oxid-

Ionen (O2--Ionen) als Protonen-............................................ .(0.5 P.)

9. Ammoniak (NH3) reagiert mit Wasser als ........................................... (0.5 P.)



10. Ein wässriger Stoff mit dem pH-Wert 1 soll entsorgt werden. Wie gehen Sie vor, damit Sie schliesslich den Stoff in den Ausguss kippen können. Beschreiben Sie die Arbeitsschritte ausführlich. (2 P.)

11. Notieren Sie die Reaktionsgleichung, wenn Essigsäure (CH3COOH oder C2H4O2)mit Wasser reagiert. (2 P)

2.2Verbrennung einer Kohlenwasserstoff-Verbindung (9 P)

Benzin ist ein Stoffgemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Eine davon ist Octan, C8H18.

a) Beschreiben Sie die Verbrennung von Octan im Zylinderraum des Viertaktmotors mit einer vollständigen, ausgeglichenen Reaktionsgleichung. (2 P.)

b) Die Verbrennung von Octan ist eine exotherme Reaktion. (2 P) Zeigen Sie den Energieumsatz in einem Energiediagramm. Beschriften Sie das Diagramm (Achsen, Kurvenabschnitte) möglichst ausführlich.



c) Toluol ,C7H8 (im Benzin vorkommend), kann mit Hilfe von Salpetersäure nach folgender Gleichung nitriert und so zu TNT (Sprengstoff) umgesetzt werden. (5 P)

Toluol+Salpetersäure →TNT+Wasser

C7H8+3 HNO3→C7H7N3O6+3 H2O

Wie viele Gramm TNT entstehen, wenn 300 g Toluol umgesetzt werden?.

Wie viele Gramm Salpetersäure sind dazu notwendig?

Lösen Sie die Aufgabe schrittweise.

Welche Stoffmenge n Toluol reagiert? (1 P.)

Welche Stoffmenge n TNT entsteht? (1 P.)

Welche Masse m TNT entsteht? (1 P.)

Welche Stoffmenge n Salpetersäure wird benötigt? (1 P.)

Welche Masse m Salpetersäure wird benötigt? (1 P.)



Teil 2 (Physik); 80 Minuten (Total 80 Pkt.)

1 Stein-Wettrennen (12 Pkt.)

Zwei Kinder machen ein „Stein-Wettrennen“. Kind A lässt von einem Hochhaus aus 35.0 m Höhe einen Steinfrei fallen. Kind B wirft einen etwa gleich grossen Stein 15.0 m weiter oben zur gleichen Zeit mit v0 = 7.00 m/s hinunter.

a) Skizzieren Sie in einem v-t-Diagramm die Bewegung der beiden Steine (4 Pkt.).

b) Wie lange (zeitlich) haben beide Steine je auf ihrem Weg nach unten? Angabe auf eine Stelle nach dem Komma gerundet (4 Pkt.).

c) Wie weit vom Boden entfernt haben beide Steine die selbe Höhe (4 Pkt.)?

Einfluss des Luftwiderstands vernachlässigen.

2 Kiste (12 Pkt.)

Eine Kiste (78.0 kg) rutscht aus dem Stand, gleichmässig beschleunigt, eine Schräge hinunter. Nach 5.00 Sekunden hat sie eine Geschwindigkeit von 8.60 m/s erreicht.

a) Wie gross ist die dabei auftretende Beschleunigung (6 Pkt.)? b) Welche Gleitreibungszahl ist durch die Reibsituation der beteiligten Oberflächen

vorhanden (6 Pkt.)?



4 Lampe (12 Pkt.)

Über eine b = 30.0 m breite Strasse ist ein Drahtseil aus Stahl gespannt. Seine Enden sind auf gleicher Höhe an gegenüberliegenden Hauswänden montiert. Genau in der Mitte hängt eine Laterne am Seil. Durch ihr Gewicht nach unten gezogen, befindet sich ihr Aufhängepunkt im Winter - 10.0 °C.) um die Strecke h1 = 2.00 m weit unterhalb der Aufhängung.

Es gilt folgendes:

• Die Breite der Strasse soll als konstant angenommen werden

• Masse des Seils vernachlässigen

• Schlagen Sie notwendige Stoffwerte in der Formelsammlung nach (Stahl hat die gleichen Eigenschaften wie Eisen).

3 Bungee-Jumper (12 Pkt.)

Eine Person (Masse = 50 kg) lasse sich von einer Brücke an einem Bungee-Seil (≈ Feder) nach unten fallen. Das Seil habe eine Deformationskonstante (Federkonstante) von D = 600 N/m und die Länge von 25 m.

a) Wie gross ist die maximale Dehnung des Seils (6 Pkt.)?

b) Wie gross ist die Geschwindigkeit der Person, wenn das Bungee-Seil 2.00 m gespannt ist (6 Pkt.)?

a) Die Lampe hat eine Masse von 33.5 kg. Erstellen Sie eine Zeichnung mit allen auf die Lampe wirkenden Kräfte und berechnen Sie die Seilkräfte (6 Pkt.).

b) Im Laufe eines Jahres verändert sich die Temperatur des Stahlseils auf 28.0 °C. Um wie viel variiert die Höhe der Laterne dadurch maximal (6 Pkt.)?



5 Schaltkreis (10 Pkt.)

Es gelten für die nebenstehende Schaltung folgende Werte R1 = 3 , R2 = 2 , R3 = 2 , R4 = 4 ).

Berechnen Sie in nebenstehender Schaltung auf eine Kommastelle genau:

den Gesamtwiderstand RG (4 Pkt.) den Gesamtstrom I0 (4 Pkt.) den Strom und die Leistung bei R3 (2 Pkt.)

6 Ovomaltine (10 Pkt.)

Wenn Sie in einem Restaurant eine warme Ovo bestellen, so wird kalte Milch durch Dampf von 100° C erhitzt.

a) Welche Energie ist nötig, um 0.3 Liter Milch von 5 °C auf 60° C zu erhitzen (4 Pkt.)?

b) Mit wie viel Gramm Wasser werden die 0.3 Liter Milch verdünnt, wenn die Dampftemperatur 100° C beträgt? Resultat auf ein Gramm genau angeben. (6 Pkt.).

• Dichte von Milch: = 1.030 g/cm3

• Spez. Wärme von Wasser: 4.18 kJ/(kgK)

• Spez. Kondensationswärme von Dampf: 2257 kJ/kg

• Spez. Wärme von Milch: 4.00 kJ/(kgK)



7 Schwimmender Quader (12 Pkt.)

Ein Quader aus Styropor (St = 80.0 kg/m3) hat die Abmessungen a = 100 cm, b = 150 cm und h = 75.0 cm.

a) Wie weit sinkt der Quader im Süsswasser mit

der Dichte W = 1'000 kg/m3 ein, wenn eine Masse aus Kupfer mCu = 500 kg (Cu= 8'800 kg/m3) angehängt wird (8 Pkt.)?

b) Würde der Quader gegenüber der in Teilfrage a geschilderten Situation

einsinken, wenn die Masse aus Kupfer oben auf die Kiste gelegt würde? Begründen Sie Ihre Antwort in einem Satz (4 Pkt.)

tiefer gleich tief weniger tief



Teil 3 (Physik – Reserve) Nachstehend sind weitere Beispiele für potentielle Prüfungsaufgaben aufgeführt:

Kinematik (Relativbewegungen)

1 Cincinatti (OHIO) liegt ziemlich genau 675 km westlich von Baltimore (MARYLAND). Beim Hinflug von Baltimore nach Cincinatti herrscht Windstille. Das Flugzeug braucht für die Strecke 48.0 min.

Vor dem Rückflug meldet die Flugleitung konstanten Wind aus Nord-Ost mit vW = 22.0 m/s. Die Flugzeuggeschwindigkeit vF gegenüber der ruhenden Luft ist auf dem Hin- und Rückflug dieselbe. Bestimmen Sie rechnerisch:

Kinematik (Horizontaler Wurf)

1 An der Olympiade 2010 in Vancouver, gewann Simon Amman im Skispringen zwei Goldmedaillen. Der Schanzentisch der Olympiaschanze hat die Koordinaten A(0/0). Bei seinem Siegessprung ist Simon Amman genau horizontal vom Schanzentisch abge-sprungen und im 92.1 m in horizontaler Richtung entfernten und in vertikaler Richtung 49.5 m tiefer liegenden Punkt B gelandet.

Kinematik (Drehbewegung)

1 Der Rotor einer Dampfmaschine (d = 1.8 m) hat eine höchstzulässige Umfangs-geschwindigkeit von 225 m/s. Welcher Drehzahl und welcher Kreisfrequenz entspricht dies?

a) Wie gross ist die Flugzeuggeschwindigkeit vF gegenüber der ruhenden Luft?

b) ... unter welchem Winkel gegenüber der Ost-West-Achse das Flugzeug auf dem Rückweg fliegen muss.

c) ... wie lange der Rückflug dauert.

a) Berechnen Sie die horizontale Absprunggeschwindigkeit v0 am Schanzentisch und die Geschwindigkeit bei seiner Landung.

b) Wie gross ist der Winkel bei der Landung gegenüber der Horizontalen?



Statik

1 Wie gross sind die Kräfte in den Trag-elementen 1 und 2 des Wandkrans?

Die Gewichtskraft der angehängten Last beträgt FG = 11.0 kN. Die Massen der Tragelemente sind vernachlässigbar.

2 Eine Person steht auf dem Sprungbrett. Gegeben sind Position und Grösse der Gewichtskraft FG des Brettes und FC des Springers. Die Masse des Brettes beträgt 150 kg und die des Springers 85 kg. Drehpunkt: Walze; Abstände: a = 0.25 m, b = 3.20 m, c = 0.75 m, d = 2.40 m.

a) Wie gross ist die Kraft, welche die Schrauben aushalten müssen?

b) Wie gross ist die Kraft FL, die auf das Walzenlager wirkt?

3 Wie gross ist die Zugkraft im langen Stahlseilabschnitt der Lampenauf-hängung im Sommer?

Die Strassenlampe hat eine Masse von 21.5 kg. Die Masse der Stahlseile soll für die Berechnung vernachlässigt werden.

4 m

FG



Wärmelehre (Wärmedehnung)

1 Die Länge einer elektrischen Hochspannungsleitung zwischen zwei Masten misst im Sommer 330 m, dies bei einer Temperatur von 40°C. Im Winter ist der Durchhang massiv kleiner und die Länge beträgt dann noch 329.45 m bei einer Temperatur von -10°C. Bestimmen Sie aus diesen Angaben den Längenausdehnungskoeffizienten des Drahtmaterials.

Wärmelehre (Wärmeübergang)

1 Warum kann man sich mit dem Finger einer Streichholz-flamme seitlich (Position a) in der Abbildung) bis auf fast einen Zentimeter nähern, während es direkt über der Flamme (Position b)) schon bei ca. 10 cm zu heiss für den Finger wird?

Erklären Sie das Phänomen mit physikalischen Begriffen möglichst genau und vollständig in ganzen Sätzen .

Dynamik

1 Ein Fahrzeug (m = 950 kg) fährt antriebslos mit einer Geschwindigkeit von 125 km/h in eine Steigung. Auf welche Höhe wird das Auto sich bewegen, wenn für die Reibung und den Luftwiderstand eine konstante Widerstandskraft von 560 N angenommen werden kann?



2 Ein Puck im Eishockey (163 g) wird bei einem Schuss auf dem Eis gleichmässig abgebremst. Er gleitet dabei in der zweiten Sekunde (1s < t < 2s) der Bewegung 15.3 m über das Eis. Der Reibungskoeffizient, für das Gleiten dieses Körpers auf dem Eis, ist 0.06.

3 Zwei Massen (m1 = 18.5 kg) sind über ein Seil via Seiltrommel miteinander verbunden. Die Massen des Seils und der Seiltrommel sollen vernachlässigt werden.

Der Neigungswinkel der Ebene beträgt = 40.0 °.

Zur Zeit t = 0 s wird das Ganze aus der Ruhelage losge-lassen. Einmal in Bewegung gekommen, beschleunigt das Ganze mit a = 1.25 m/s2 (Hinweis: es wird nicht zwischen Haft- und Gleitreibung unterschieden).

= 40.0°

m22 = 0.122

A

a) Wie gross ist die konstante Verzögerung des Puck? b) Welches war die Abschussgeschwindigkeit der schwarzen Scheibe?

a) Bestimmen Sie die im Seil wirkende Kraft (Punkt A). b) Wie gross ist die Masse 2?



4 Ein Fadenpendel wird aus der gezeichneten Startposition losgelassen.

5 Auf einer Berg- und Talfahrt muss ein Körper (in der Abbildung als „Massenpunkt“ dargestellt) am Start mit einer bestimmten Geschwindigkeit (v0) auf die Bahn geschickt werden, damit er am Ende ins Loch (beim 3. Hügel) gleitet. Die Bahn führt über 2 Wellenbuckel (h1 = 0.20 m, h2 = 0.30 m) zuletzt auf einen Buckel mit h3 = 0.40 m. Von da soll der Körper in ein Loch fallen (h4 = 0.30 m). Damit der Körper nicht über das Loch fliegt, darf er auf diesem Buckel die Geschwindigkeit von vmax = 1.25 m/s nicht überschreiten.

Mit maximal welcher Geschwindigkeit v0 darf der Körper abgeschlagen werden? (Reibung wird nicht berücksichtigt, g = 9.81 m/s2).

6 In einer Wasserleitung wurde eine kleine Turbine (Pelton) eingebaut. An der Turbine wurde eine mechanische Leistung von 2.5 kW gemessen. Der Wirkungsgrad der Turbine beträgt gemäss Hersteller 72%. Welcher Höhenunterschied zwischen Wasserreservoir und Turbinenstandort besteht, wenn der Volumenstrom dauernd 4.9 Lt/s beträgt?

a) Welche Position (Höhe) erreicht das Pendel, wenn es zum ersten Mal still steht? Wegen der Reibung im Lager und dem Luftwiderstand der Kugel gehen 15% Energie mit Wärme bzw. Luftbewegung weg.

b) Wie schnell ist das Pendel an der tiefsten Stelle, wenn man die Energieverluste vernachlässigt?



7 Zwei Kisten werden auf einer schiefen Ebene nach oben geschoben. Es wirkt eine Kraft F parallel zur Auflagefläche. Folgende Daten sind bekannt:m1 = 10 kg , m2 = 35 kg , F = 370 N α = 30° , μ = 0,15

a) Berechnen Sie die Beschleunigung der Kisten. b) Wie gross ist die Kraft zwischen den beiden Kisten?

8 Ein Spielzeugauto soll eine schräge Ebene hinab rollen und einen Looping durchfahren.

Im Looping durchfährt das Auto einen Radius von r = 0.750 m.

Aus welcher minimalen Höhe gegenüber dem obersten Punkt im Looping muss das Spiel-zeugauto aus dem Stillstand gestartet werden, damit es stets Kontakt mit der Fahrbahn hat? Infolge Reibungseinflüssen gehen zwischen dem Startpunkt und dem obersten Punkt im Looping 12.0 % der Energie verloren.

h

r

Schwingungs‐/Wellenlehre

1 Ein Federpendel wird aus der Ruhelage um s = 12.5 cm ausgelenkt.Nach dem Loslassen schwingt esharmonisch mit einer Periodendauer von T = 2.50 s (ungedämpft).

Zur Zeit t0 = 0 s passiert es die Gleichgewichtslage mit negativer Geschwindigkeit.

a) Wie gross ist der Betrag der maximalen Geschwindigkeit? b) Wie gross ist die Auslenkung des Federpendels zum Zeitpunkt t1 = 1.40 s? c) Berechnen Sie sowohl die Geschwindigkeit, als auch die Beschleunigung im Zeitpunkt t1. d) Zu welchen Zeitpunkten ist s = + 7.50 cm?



2 Interpretieren Sie dieses Bild. Wie sind diese Strukturen am Ufer (s. unterer Bildrand, Beispiel mit Pfeil) entstanden? Zeichnen Sie alle wichtigen und notwendigen Elemente in die Abbildung hinein. Ihre Erklärung soll vollständig sein und vier Fachbegriffe enthalten.

2 Eine elektromagneti-scheWelle bewegt sich in diepositive x-Richtung. Die y-Achse hat relative Einheiten.

b) Um welche elektromagnetische Wellenart handelt es sich hierbei? Behelfen Sie sich mit der beigefügten Tabelle.

a) Schreiben Sie mit den Informationen der beiden Graphen die Wellengleichung auf.



Hydrostatik

1 Zwei Glasrohre mit unterschiedlichen Querschnitten (2,2 cm2 und 3,7 cm2) sind am Boden miteinander verbunden und auf eine kleine Höhe mit Wasser gefüllt. In das engere Rohr wird nun 20 cm3 Petrol (ρ = 0.83 g/cm3) und ins breitere Rohr 65 cm3 Petrol gefüllt. Welche Niveaudifferenz haben nun die Petroloberflächen in beiden Rohren zueinander?

2 Ein Kind (mk = 32 kg) soll in einem Fass (mf = 10 kg, h = 1.5 m) zentriert und ruhig stehen. Dieses Schwimmsystem soll in Wasser (ρWasser = 1000 kg/m3) funktionieren.

a) Wie tief taucht das Fass ein, wenn der Fassaussendurchmesser 1 m beträgt? b) Durch ein Loch im Fass strömt nun Wasser ein (Iv = 2 Lt/s). Zeigen Sie in einem Diagramm (Eintauchtiefe - Zeit) wie sich das Schwimmverhalten ändert. Nach welcher Zeit geht das 1.5 m hohe Fass unter?

Elektrotechnik

1 Im dargestellten Schema beträgt die Prozessleistung im Widerstand R2 14 W(R1 = 5 Ohm, R2 = 4 Ohm, R3 = 3 Ohm).

a) Wie gross ist der Ladungsstrom im Widerstand R1? b) Mit welcher Leistung im Widerstand R3 wird Wärme produziert?

2 Ein Bastler hat sich einen "Kleinsttauchsieder" (Heizwendel aus Konstantandraht mit R = 5.0 ) gebaut, der an ein Netzgerät der Spannung U1 = 12 V anzuschliessen ist.

Welche Zeit t1 braucht der Bastler zur Erwärmung von 0.50 L Glühwein von 20°C auf 55°C, wenn theoretisch 61.18 kJ Energie dafür genügen würden, bei der Anordnung jedoch 20% der zugeführten Energie über die Oberfläche abgeführt werden?

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0-Serie Naturwissenschaften (Technik und Architektur) · Zeichnen Sie oben (Aufgabe b)) ... mol/l. (0.5 P.) 7. H ... b) Würde der Quader gegenüber der in Teilfrage a geschilderten