Physik- Übungsaufgaben / Übungsklausur Blankenbacheitidaten.fh-pforzheim.de/daten/mitarbeiter/blankenbach/... · Bitte in Zweierteams bei den nachfolgenden Aufgaben in zwei unterschiedlichen

Blankenbach / physik_alle_klausuren_ohne_loesungen_Liste_Studies.doc / 12.10.14 1 / 31

Physik- Übungsaufgaben / Übungsklausur Blankenbach

Zum Bestehen des Übungsscheines „Physik“ ist entweder

die Übungsklausur (Termin ca. 15. Dez. 2014) zu bestehen oder

2 der nachfolgenden Aufgaben aus 2 Themengebieten (z.B. Mechanik und Wellen) in

Zweierteams zu lösen, in je 10 min an der Tafel vorzurechnen sowie als pdfs {Name und

Matrikelnummer im pdf} dem Dozenten mit der Filebezeichnung "Thema_Aufgabe.pdf"

{z.B. Kinematik_A3.pdf} zu mailen. „Diese Methode wird empfohlen.“

Hierzu tragen Sie sich bitte in die nachfolgenden Tabellen (Übungsklausur bzw. bei den

Aufgaben) ein.

„Ich schreibe die Übungsklausur“:

Nachname, Vorname Matrikelnummer Unterschrift


„Ich rechne Aufgaben“:

Bitte in Zweierteams bei den nachfolgenden Aufgaben in zwei unterschiedlichen Gebieten

eintragen, z.B. Mechanik und Wärmelehre.

Zur Lösung der Aufgaben können Sie Bücher, Internet etc. verwenden. Beim Vorrechnen an der

Tafel in den Übungsstunden sollten Sie auch mögliche Verständnisfragen Ihrer Kommilitonen

beantworten können.

Mechanik (Statik, Kinematik, Dynamik)

M1. Sie befinden sich in einem vertikalen Karussell (ideal), das einen Durchmesser von 20 m

und eine Umlaufdauer von T = 10 s hat. Bei der Aufwärtsbewegung lassen Sie in 10 m

Höhe einen Ball los.

Wenn Sie das nächste Mal an diese Stelle kommen, ist der Ball dann über oder unter

Ihnen? Wie groß müsste T sein, damit Sie den Ball wieder fangen können?


Student 1

Student 2

M2. Sie wollen mit einem Zeppelin genau nach Süden fliegen. Ihre Antriebsmaschinen

erlauben Ihnen bei Windstille eine maximale Geschwindigkeit von 20 km/h. Bei dieser

Geschwindigkeit treibt Sie ein Wind aus Westen genau nach Osten mit 10 km/h ab. Lösen

Sie die Aufgaben zeichnerisch und rechnerisch.

a) Um wie viel Grad kommen Sie ohne Rudereinschlag vom Kurs Süd ab?

b) Welche Geschwindigkeit über Grund erreichen Sie dabei?

c) In welche Richtung steuern Sie, um genau nach Süden zu fliegen?

d) Ihre Restentfernung über Grund beträgt 10 km. Wie lange brauchen

Sie für diese Strecke bei konstanter Geschwindigkeit?


Student 1

Student 2


M3. Ein Voll- und ein dünnwandiger Hohlzylinder gleichen Gewichtes und gleichen Radius

werden auf einer Schiefen Ebene losgelassen. Sie rollen ohne zu rutschen.

a) Begründung ohne Rechnung: Welcher Zylinder ist schneller?

b) Wie verhalten sich die Geschwindigkeiten der Körper zueinander?

Tip: Radius und Masse fallen heraus, da für beide Körper gleich.


Student 1

Student 2

M4. Aufgaben aus dem Themenbereich Bahn

a) Bei Querwind wird die Rauchfahne eines 90m langen Zuges, der mit 70 km/h fährt,

abgetrieben. Die Rauchfahne ist am Zugende 30 m seitwärts. Welche Geschwindigkeit hat

der Wind (zeichnerische und rechnerische Lösung)?

b) In sträflichem Leichtsinn werfen Sie (rechtwinklig und horizontal) eine Bierflasche aus

einem fahrenden Zug. Sie fällt auf eine 4 m unter dem Abwurfpunkt gelegene Wiese. Der

Auftreffpunkt liegt 20 m in Fahrtrichtung und 8 m entfernt vom Abwurfpunkt. Berechnen

Sie die Geschwindigkeit des Zuges, die Abwurf und die Auftreffgeschwindigkeit der

Flasche.


Student 1

Student 2

M5. Bei einer Fluggeschwindigkeit von 420 km/h legt die Nabe der Luftschraube während jeder

Umdrehung die Strecke 3,6 m zurück.

a) Welche Drehzahl hat der Propeller?

b) Welche Energie steckt in dem Propeller (J = 60 kg m²)?


Student 1

Student 2


M6. Eine Kugel der Masse 100 g liegt auf einer (idealen) Feder (D = 100 kg/s²), welche um

10 cm aus ihrer Ruhelage zusammengedrückt wurde. Die Feder steht parallel zum

Gravitationsfeld. Das System wird plötzlich losgelassen.

a) Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Kugel bei der Ruhelage der Feder?

b) Berechnen Sie die maximale Höhe, welche die Kugel über der Nullage erreicht.

c) Wie hoch ist die Geschwindigkeit im höchsten Punkt des Fluges?

d) Wie lange ist die Kugel unterwegs, bis sie die Feder wieder erreicht?


Student 1

Student 2

M7. Eine Eiskunstläuferin (Gesamtgewicht 50kg) bringt sich durch ein geschicktes

Fahrmanöver in eine Rotation um ihre Längsachse. Zu Beginn hat sie die Arme

ausgestreckt und dreht sich in 1 Sekunde einmal um sich selbst. Dann legt sie die Arme

eng an ihren Körper - wie schnell dreht sie sich nun? Betrachten sie zur Vereinfachung

den Körper als Vollzylinder mit einem Durchmesser von 50cm; die Arme seien

Massepunkte mit 5kg, ausgestreckt haben sie den Abstand 100cm von der Drehachse,

angelegt befinden sie sich auf der Zylinderoberfläche.


Student 1

Student 2


M8. 2 Kugeln gleicher Massen stoßen zusammen. Eine ruht zu Beginn, die andere bewegt sich

mit der Geschwindigkeit v1.

a) Wie groß sind die Geschwindigkeiten der Kugeln nach einem ideal elastischem Stoß.

b) Wie schnell bewegt sich der Schwerpunkt des Systems aus a) fort, wenn man das

Experiment beobachtet.

c) Statt mit 2 Kugeln wird das Experiment nun mit 2 ‘griffigen’ Autoreifen auf einer rauen

Fahrbahn durchgeführt, d.h. die Reibung kann hier nicht vernachlässigt werden.

Versuchen Sie die auftretenden Effekte beim Stoß in einem Gedankenexperiment zu

beschreiben.


Student 1

Student 2

M9. Eine Aufgabe zu Fahrzeugbewegungen; hier am Beispiel eines Autos mit der Masse 1t:

a) Das Auto beschleunigt von 0 auf 108 km/h in 10s. Wie groß ist die

Durchschnittsleistung?

b) Welche Bewegung vollführt das Ventil eines Reifens?

c) Das Auto fährt an eine Bergstrecke mit konstanter Steigung (Neigung 10°) mit

72 km/h heran. Innerhalb eines Kilometers zurückgelegten Weges beschleunigt es auf

108 km/h. Wie viel Arbeit (reibungsfrei) ist verrichtet worden?

d) In der Ebene legt das Fahrzeug 1 km in 60s zurück; danach 2km in 100s und

anschließend 1 km in 100s. Skizzieren dies und berechnen Sie die

Momentan-Geschwindigkeiten und die Durchschnittsgeschwindigkeit

(Beschleunigungsvorgänge werden vernachlässigt).

e) Das Auto fährt nun in der Ebene auf gerader Strecke mit konstant 98,76 km/h und

verbraucht dabei 5,4321 l/100km (nur Motor, keine Heizung, Licht, etc). Wie groß ist

der Wirkungsgrad des gesamten Fahrzeugsystems?


Student 1

Student 2


M10. Es ist Sommer, sie liegen im Freibad und beobachten den Sprungturm. Von der 10m -

Plattform (ohne Sprungbrett) läßt sich ein mutiger Kandidat nach vorne überfallen.

a) Welche Bewegung beobachten Sie?

b) Der Springer wird durch eine homogene Stange mit 2m Länge angenähert. Er dreht

sich einmal pro Sekunde senkrecht zu seiner Längsachse. Wie groß ist die

Eintauchgeschwindigkeit

c) Um schmerzhafte Folgen zu vermeiden, trägt der Springer einen Taucheranzug,

welche ideal gut isoliert; somit wird die gesamte Reibungsenergie beim Eintauchen auf

das Wasser übertragen (da der Springer Glück hat, spritzt auch kein Wasser hoch).

Um wieviel Grad wird das Becken (Würfel mit Kantenlänge 10m, c = 4,2 kJ/kgK)

erwärmt?


Student 1

Student 2

M11. Unser Motorradfreak Klittich fährt mit seiner Enduro gerne schnell, ihn stört aber aus

ästhetischen Gründen das langgezogene hintere Schutzblech. Er möchte es gerne

verkürzen und muß dazu aber für den TÜV einige Berechnungen anstellen. Er geht hierbei

von einer Maximalgeschwindigkeit von 113,1 km/h und einem Raddurchmesser von 1m

aus.

a) Bestimmen Sie die Drehzahl und die Winkelgeschwindigkeit des Reifens.

b) Bei höherer Geschwindigkeit werden kleine Steine im Profil ein Stück mitgeführt und

lösen sich dann später tangential ab. Wie hoch kann ein solcher Stein (ideal, Werte s.o.)

steigen? Zur leichteren Berechnung befinde sich das Motorrad auf einem Rollenprüfstand,

d.h. es besitzt keine translative Geschwindigkeit.

c) Wie weit muß das Schutzblech hinuntergezogen werden, damit ein solcher Stein nicht

höher als 1m hoch steigen kann. Die ‘Abwurfhöhe’ darf vernachlässigt werden. Es genügt

hier ein Näherungswert.


Student 1

Student 2


M12. Wir untersuchen die Zeitungsmeldung: ‘Am Bungee-Seil in 7,5s 220m in die Tiefe’ (James

Bond - Opening Stunt Golden Eye).

a) Wie groß wäre die Fallzeit ohne Seil?

b) Wie hoch ist die Geschwindigkeit nach 220m ohne bzw. mit Seil?

c) Der Springer bleibt am Schluß 160m unterhalb der Absprungstelle hängen. Die

anfängliche Bewegung, nachdem er 160m gefallen ist, wird durch z(t) = zo sin(ot)

beschrieben, das Seil hierbei als Feder angenähert. Berechnen Sie die maximale

Auslenkung der anfänglich angenähert ungedämpften Schwingung und die

Kreisfrequenz o (Hinweis: beginnen Sie mit den Anfangsbedingungen für t=0).

Vergleichen Sie diesem Ansatz mit Teil a) - Fazit?


Student 1

Student 2

M13. 2 Testfahrzeuge beginnen gleichzeitig eine geradlinige Bewegung mit der

Anfangsgeschwindigkeit Null am gleichen Ort. Das Fahrzeug A beschleunigt mit aA = ao =

const. , Auto B mit aB = kt mit k = const. Beide Fahrzeuge legen in der Zeit t1 die Strecke

s1 zurück.

a) Skizzieren Sie den Verlauf beider Bewegungen im a(t)- , v(t)- und s(t)-Diagramm.

b) Nach welcher Zeit und Strecke sind die Fahrzeuge gleichauf?

c) Welche Geschwindigkeiten haben die Fahrzeuge dann erreicht?

d) Nach welcher Zeit haben beide Fahrzeuge dieselbe Geschwindigkeit?


Student 1

Student 2


M14. Wie ist der Mond entstanden? Die sogenannte Kollisionshypothese geht von einen

Meteoritenaufschlag (etwa Marsgröße) unter flachem Winkel aus. Dabei wurden große

Mengen Erdmantelmaterial herausgeschleudert, welche sich durch

Massenanziehungskraft zum Mond verdichteten.

Diese Hypothese wird dadurch gestützt, daß das Mondmaterial relativ leicht ist und der

Erdmantelzusammensetzung entspricht. Vor allem aber erklärt sie, warum die Erde

vergleichsweise rasch rotiert - ein Venustag ist 242, der Merkurtag 58 Erdtage lang. Die

Erde befindet sich vor dem Zusammenprall in Ruhe (Translation und Rotation).

a) Nehmen Sie die Erde (homogene Kugel) als ruhend gegenüber dem Meteoriten an.

Dieser prallt nun schräg auf und versetzt die Erde in Rotation (Translation

vernachlässigen). Wie groß muss die Geschwindigkeit des Meteoriten vor dem Aufprall

mindestens gewesen sein?

b) Welche Effekte ergäben sich bei Berücksichtigung der Mondmasse, einer Translation

der Erde nach Aufprall und der Erdanziehungskraft?


Student 1

Student 2

M15. Eine Silvesterrakete (m = 0,1 kg, in a) und b) = const. (Näherung) ) soll senkrecht nach

oben starten (v Gas = 5 km/s). Benutzen Sie zur Lösung den Kraft-Impuls-Zusammenhang.

a) Welcher Gasausstoß dm/dt ist erforderlich, damit die Rakete gerade über dem

Startplatz schwebt

b) Wie groß ist die Beschleunigung bei 3* so großem Gasausstoß wie bei a) ?

c) Nach Brennschluß fliegt die Rakete (m nunmehr 0,08 kg) mit 20 m/s und explodiert in

2 Teile. Teil 1 wiegt 0,03 kg und fliegt mit 40 m/s und Teil 2 mit 30 m/s. Bestimmen Sie

den Winkel, den die (gerade) Flugbahn der beiden Bruchstücke einschließt.


Student 1

Student 2


M16. Sie wollen möglichst schnell zur WM nach Frankreich über den Rhein paddeln. Auf einem

ruhigen See ohne Strömung und Wind kommen Sie mit einer Geschwindigkeit von 20

km/h voran. Der Rhein treibt Sie mit 10 km/h flußabwärts. Lösen Sie die Aufgaben

zeichnerisch (maßstäblich) und rechnerisch

a) Sie starten senkrecht zum Ufer mit 20 km/h und behalten diese Richtung bei.

Um wieviel Grad kommen Sie ohne Rudereinschlag vom direkten Weg ab?

Welche Absolutgeschwindigkeit Grund erreichen Sie dabei?

b) In welcher Richtung steuern Sie für die kürzeste Strecke über den 100 m breiten Rhein?

Wie lange brauchen Sie dann, wenn Sie konstant mit 20 km/h paddeln?

c) Wann sind Sie schneller an einer Stelle genau gegenüber Ihrem Startpunkt Fall b) oder

a), wenn Sie im letzteren mit 5 km/h am Ufer laufen.


Student 1

Student 2

M17. Auf einem ideal runden und glatten WM-Fußball mit Radius r liegt auf dem höchsten Punkt

außen ein kleines, rundes Sandkorn. Dieses gleitet nun aus der Ruhe heraus reibungsfrei

ab. Das Korn löst sich an einer bestimmten Stelle von der Kugeloberfläche. Um welchen

Höhenunterschied h liegt diese Stelle tiefer als der höchste Punkt ?

Zum „Bestehen“ genügt eine Gleichung, die nur noch r und h enthält, sie braucht nicht

nach h aufgelöst zu werden.


Student 1

Student 2


M18. ‘Deep Impact’: Ein Meteorit aus Eisen streift kurzzeitig die Erdatmosphäre und verringert

dabei wegen Luftreibung seine Geschwindigkeit von 8 km/s auf 7 km/s . Die dabei

auftretende Reibungswärme geht zu 95% in die umgebende Luft, der Rest erwärmt den

Meteoriten (cEisen = 0,5 J/gK ).

a) Um wieviel Grad steigt die Temperatur des Meteoriten?

b) Unter der Annahme, daß die Reibung die Masse des Meteoriten real durch Verdampfen

der äußeren Schichten halbiert, verliert der Meteorit wie viel Prozent seines

Anfangsimpulses?


Student 1

Student 2

M19. Case study: Sie sind Projektleiter ‘Advanced Stunts’ bei touchstone pictures. Ihre Aufgabe

besteht darin, alte und neue Stunts auf ihre Machbarkeit hin abzuschätzen. Ziel ist es, bei

Sprüngen ein praktisch unmerkliches Auftreffen auf bewegten Objekten zu

erreichen/berechnen, d.h. es soll kein Abfedern mit den Knien notwendig sein:

a) Sprung auf Fahrstuhl (James Bond ‘a view to a kill’): Der Fahrstuhl habe eine konstante

Abwärtsgeschwindigkeit von 10 m/s. Der Stuntman springt (‘Schritt ins Leere’, 1D) von

einer festen Rampe neben dem Aufzug:

- Wie hoch muß der Absprungpunkt oberhalb des Auftreffpunktes liegen?

- Bei welcher relativen Position des Aufzuges muß der Stuntman starten?

- Wie groß ist die Geschwindigkeitsdifferenz, wenn der Stuntman aus

Reaktionszeitgründen 0,1 s zu spät dran ist?

b) Sprung (nach unten, 2D) auf schnell abwärtsdrehende Riesenradgondel von

der Rampe aus:

- Welche Bedingungen müssen hier für einen sanften Aufprall erfüllt sein?

- Geben Sie hierzu die wichtigsten Formeln, ausgehend von einer konstanten

Winkelgeschwindigkeit, an.


Student 1

Student 2


M20. Aus der Pforzheimer Zeitung anläßlich Jubiläum Fa. Unger: ‘Bungee mit VW Beetle’ „...

von der das 1,2 Tonnen schwere neue Kult-Auto abfahren sollte, um nach 45 m Fall

wieder in die Höhe geschnellt zu werden. Dazu kamen Insassen und Spezialseil nebst

Aufhängung. Auf rund 150 km/h beschleunigte der Beetle in Sekundenbruchteilen ...... an

die sechs Tonnen wirkten auf das Seil kurzfristig ein. ... „

a) Stimmen die Angaben?

b) Beschreiben Sie die tatsächliche Bewegung für eine maximale Seillänge von 35 m,

unbelastet ist das Seil 10 m lang mit einer Skizze unter Berücksichtigung von Reibung.

c) Wie groß sind mit den Angaben aus b) die Geschwindigkeiten nach 10 m und 45 m

nach dem Start?


Student 1

Student 2

M21. Klein Fritzle will mit seinem neuen, nicht funkferngesteuerten Modellboot über einen 20 m

breiten Fluß fahren. Er startet senkrecht vom Ufer mit einer konstanten

Antriebsgeschwindigkeit von 1 m/s , das Ruder ist auf Geradeausfahrt festgestellt. Leider

weist der Fluß eine Strömung auf, deren Geschwindigkeitsprofil durch eine Parabel

beschrieben werden kann:

a) Skizzieren Sie die Strömungsgeschwindigkeit.

b) Wie lange braucht das Boot zum anderen Ufer?

c) Geben Sie den Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung mit einer

zeitabhängigen Formel an (Vektor!)

d) Wann und wo ist die Bootsgeschwindigkeit über Grund am größten?

Geben Sie den absoluten Wert an.


Student 1

Student 2


M22. Aus dem Pforzheimer Kurier bzgl. eines neuartigen Raumfahrzeuges:

'Ionenantrieb gibt Deep Space sanften Schub'

„Der revolutionäre Ionenantrieb ... Die ionisierten Xenon-Atome werden in elektrischen

Feldern beschleunigt. Mit einer Geschwindigkeit von rund 40 km/s schießt dann der scharf

gebündelte Ionenstrahl nach hinten aus einer Düse und schiebt dabei das Raumfahrzeug

nach vorne. Das ionisierte Gas übt einen stetigen, wenn auch nur schwachen Schub auf

das Raumfahrzeug aus. Während eines kontinuierlichen Betriebes von 335 Stunden

erhöht Deep Space seine Geschwindigkeit um etwa 500 Stundenkilometer - eine

Beschleunigung von etwas mehr als einem Kilometer pro Stunde. ... In 14 Tagen

ständigen Betriebes hat Deep Space etwas weniger als 2,5 kg Treibstoff verbraucht. ... „

a) Stimmen die Angaben ?

b) Wie groß ist die Masse von Deep Space? Welche Näherung ist zweckmäßig?

c) Warum kann der Ionenantrieb nicht zum Start einer vernünftigen Rakete von der

Erde aus verwendet werden?


Student 1

Student 2

M23. 2 Wagen mit den angegebenen Massen hängen über den skizzierten Seilmechanismus

(masselos) reibungsfrei miteinander zusammen. Zahlen runden ist erlaubt!

a) Nach welcher Richtung und mit welcher

Beschleunigung setzt sich die Anordnung in

Bewegung?

b) Wie groß ist während dieser Bewegung die Kraft

im Seil?


Student 1

Student 2


M24. Aus einem Flugzeug, welches mit 100 m/s parallel zum Erdboden fliegt, springen im

Abstand von 1 s 2 Fallschirmspringer. Sie möchten sich nach möglichst kurzer Zeit in der

Luft und noch ohne geöffnete Fallschirme gegenseitig fotografieren. Beim Freien Fall mit

Luftwiderstand wird die Beschleunigung nach einer gewissen Fallzeit Null. Der Einfachheit

halber nehmen wir deshalb für beide Springer konstante Geschwindigkeiten an. Beide

Springer bewegen sich in horizontaler Richtung mit der entsprechenden Geschwindigkeit

beim Absprung, diese ändert sich also nicht. Der erste Springer 'liegt' flach in der Luft,

seine Vertikalgeschwindigkeit beträgt 20 m/s. Der Zweite fliegt steiler mit der

Vertikalgeschwindigkeit A. Für die Rechnung nimmt man an, daß sie sich beim

Fotografieren zum gleichen Zeitpunkt am selben Ort befinden.

a) Zeichnen Sie ein Ortsdiagramm zum Zeitpunkt des Absprunges des zweiten Springers

b) Zeichnen Sie die Geschwindigkeitskomponenten und Resultierenden ins das

Diagramm ein.

c) Berechnen Sie die Koordinaten des Treffpunktes und die Flugdauer des zweiten

Springers.

d) Berechnen Sie diese 3 Werte für A = 40 m/s

e) Betrachten Sie die Extremwerte der Flugdauer bei sehr großen bzw. kleinen Werten

von A.


Student 1

Student 2


M25. Zwei Autos stoßen mit gleich großer Geschwindigkeit (20 m/s) frontal zusammen. Der

Stoß sei vollkommen inelastisch. Das eine Auto besitzt eine doppelt so große Masse wie

das andere (1000 kg).

a) Welche Geschwindigkeit haben beide Wagen nach dem Stoß?

b) Die Knautschzonen führen während der Dauer (0,1 s) des Zusammenstoßes zu

einer konstanten Beschleunigung. Welchen Wert nimmt diese für jeden Wagen an?

c) Welche Energiemenge wird bei dem Zusammenstoß in Wärme umgewandelt?

d) Berechnen Sie den Winkel um den das leichtere der beiden Autos abgelenkt wird,

wenn beide senkrecht zusammenstoßen.


Student 1

Student 2

M26. Eine homogene kreisförmige Scheibe (Masse m, Radius R, Massenträgheitsmoment

bezogen auf den Schwerpunkt JSWP = 1/2 m R² ) ist im Abstand r vom Mittelpunkt drehbar

aufgehängt. Die Drehachse ist horizontal bzgl. der Erdoberfläche.

a) Welches Massenträgheitsmoment besitzt die Scheibe bezogen auf die Drehachse?

b) Welches Drehmoment ist notwendig, um die Scheibe um 30° aus der Ruhelage

auszulenken?

c) Leiten Sie die Bewegungsgleichung für kleine Auslenkungen her.

d) Wie groß wird die Schwingungsdauer, wenn die Scheibe am oberen Rand

aufgehängt wird?


Student 1

Student 2


M27. Teilchen der Ladung q und Masse m durchlaufen ein Gebiet in dem ein elektrisches und

magnetisches Feld herrschen. Beide sind homogen und senkrecht zueinander. Die

Erdanziehung ist hier vernachlässigbar.

a) Welche Kräfte wirken auf die Ladungen?

b) Welche Geschwindigkeit müssen die Teilchen haben, damit sie nicht abgelenkt

werden?

c) Geben Sie die Beschleunigungen und die Bahnkurve nur für ein homogenes

elektrisches Feld an.


Student 1

Student 2


Schwingungen

S1. Senkrecht unter dem Aufhängepunkt eines Fadenpendels der Länge 100 cm befindet sich

ein Stift als Anschlag im einem gewissen Abstand. Das Pendel wird zu Beginn auf die

'freie' Seite hin ausgelenkt und dann losgelassen. Das Pendel schwingt dann bis zur

Ruhelage mit voller Fadenlänge, an der Nulllage legt sich der Faden an den Stift an und

der untere Teil schwingt bis zum Umkehrpunkt und wieder zurück bis zur Nulllage mit

verkürzter Pendellänge, danach setzt sich die Schwingung wieder mit voller Pendellänge

fort usw. .

a) Skizzieren Sie die Aufgabenstellung.

b) Wie groß ist der Abstand des Stiftes vom Aufhängepunkt, wenn die

Schwingungsdauer 1,5 s beträgt?.

c) Wie hoch schwingt die Pendelmasse auf der verkürzten Seite, wenn das Pendel

zu Beginn 1,80° ausgelenkt worden ist?


Student 1

Student 2

S2. Schwingungena) Mit welcher Eigenfrequenz und Schwingungsdauer kann ein Pkw

aufgrund seiner

Federung schwingen, wenn sich seine Karosserie mit der Leermasse 800 kg bei einer

Zuladung von 200 kg um 20 mm senkt?

b) Mit dem Fahrzeug aus a) fahren Sie auf die Autobahn, welche Schwellen (Erhöhungen)

im von Abstand knapp 19 m. Ihre Stoßdämpfer haben aus Altersgründen nur noch eine

schwache Wirkung. Sie beschleunigen langsam über eine Strecke von mehreren

Kilometern von 0 auf 150 km/h

- Was bemerken Sie

- Skizzieren Sie den Verlauf und geben die Geschwindigkeit bei der wichtigen

Kenngröße an.


Student 1

Student 2


S3. Ein Wagen (Dimensionen vernachlässigen) befindet sich in einer Zylinderwanne mit dem

Radius 10 m. Er wird in einer Höhe von 0,5 m über dem tiefsten Punkt losgelassen.

a) Stellen Sie die idealisierte Bewegungsgleichung auf.

b) Nach welcher Zeit ist der Wagen wieder am Ausgangspunkt?

c) Wie groß ist die Geschwindigkeit v im tiefsten Punkt?


Student 1

Student 2

S4. Berechnen Sie die Schwingungsdauer eines kreisförmig, unter kleinem Winkel

schwingenden Mathematischen Pendels ausgehend von einer Kreisbewegung

(Verwenden Sie nicht die Überlagerung harmonischer Schwingungen).


Student 1

Student 2

S5. Eine 1kg schwere Kugel hängt an einem 1m langem, dünnen und steifen Faden. Das

System dreht sich nach entsprechendem Anwerfen kreisförmig (vergleichbar mit Ketten-

Karussell) um den Aufhängepunkt. Der Auslenkwinkel gegenüber der Ruhelage beträgt

ca. 5°.

a) Berechnen Sie die Drehzahl und die Dauer einer Umdrehung.

b) Nun führt das System eine Harmonische Schwingung aus. Vergleichen Sie die

Schwingungsdauer (fertige Formel darf verwendet werden) mit dem Ergebnis aus a).


Student 1

Student 2


S6. Beim Absprung eines Skispringers führt die Skispitze Schwingungen aus, welche der

Einfachheit halber als harmonisch betrachtet werden. Folgende Näherungen und

Vereinfachungen gelten: Länge des Skis vor der (starren und ‘ortsfesten’) Bindung: 1m mit

einem Gewicht von 1kg. Nach 2 Schwingungen, welche zusammen 2 Sekunden dauern,

ist praktisch keine Auslenkung zu beobachten.

a) Erklären Sie diese Beobachtung.

b) Berechnen Sie die Dämpfungskonstante.

c) Wie groß ist die Eigenfrequenz des ungedämpften Skis.


Student 1

Student 2

S7. An einer Schwingtür, die bezogen auf ihre vertikale Drehachse ein Trägheitsmoment J =

15 kg m² besitzt und von einer Spiralfeder mit der Winkelrichtgröße D = 60 Nm/rad in ihre

Ruhelage zurückgezogen wird, ist ein Öldruckdämpfer angebracht, der im Abstand l von

der Türachse mit einer tangentialen Kraft von ro * v angreift (ro : Reibungskonstante, v :

Geschwindigkeit).

a) Geben Sie die Bewegungsgleichung und die Lösungen mit Skizze an.

b) Wie groß muss die Reibungskonstante sein, damit die Tür nach dem Öffnen so schnell

wie möglich von selbst schließt, ohne sich über die Ruhelage hinauszubewegen.


Student 1

Student 2


S8. Im WM-Ball befindet sich innen (rund, glatt) ebenfalls ein kleines rundes Sandkorn.

Klinsmann schießt endlich das erlösende Tor, wobei der Ball langsam über die Torlinie

rollt und vom Netz gestoppt wird. Das Korn rollt dann aus einer Höhe von einem Zehntel

des Radius mittig nach unten und vollführt danach eine unbeeinflusste Bewegung.

a) Stellen Sie mit Hilfe einer Skizze die idealisierte Bewegungsgleichung des Kornes auf

und geben die Bewegungsform und die Lösung an.

b) Nach welcher Zeit ist das Korn wieder am Ausgangspunkt?

c) Wie groß ist die Geschwindigkeit v im tiefsten Punkt?


Student 1

Student 2

S9. Folgende Achterbahn sei gegeben:

h R = 1 0 m

0 ,5 m

a) Aus welcher Höhe h muss ein Massepunkt starten, damit er im Looping

nicht hinunterfällt?

b) Welche Geschwindigkeit hat er dann im tiefsten Punkt?

c) Es sei h nun 0,5 m. Beschreiben Sie die sich ergebende Bewegung, stellen Sie die

Bewegungsgleichung auf, lösen Sie sie und geben die relevante Kenngröße an.


Student 1

Student 2


Wellen und Optik

W1. Eine Spiegelreflex-Kamera hat 3 Wechselobjektive: normal mit 50 mm Brennweite,

Weitwinkel mit 28 mm bzw. Tele mit 135mm Brennweite. Betrachten Sie die Objektive

vereinfacht als Einzellinse. Ein Gegenstand ist 2,5m entfernt.

a) Wie groß ist der Gegenstand, wenn ihn das Normal-Objektiv auf dem Film 15mm groß

abgebildet Ermitteln Sie den Abbildungsmaßstab? Bitte zeichnerische und rechnerische

Lösung.

b) Berechnen Sie analog zu a) die Abbildungsmaßstäbe und Bildgrößen für die beiden

anderen Objektive.

c) Welche Objektabstände sind erforderlich, damit mit dem Tele- und dem

Weitwinkelobjektiv ebenfalls eine Bildgröße von 15mm erzielt wird.


Student 1

Student 2

W2. Welche Wellenlängen aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums werden bei Reflexion

an eine 750nm dicken Seifenlamelle (n = 1,35) in Luft (n=1) bei senkrechtem

Strahleneinfall verstärkt und ausgelöscht.


Student 1

Student 2


W3. Wie lange muss das Rohr einer Querflöte sein (beidseits offen), damit sie bei 20oC als

tiefsten Ton c’ = 264 Hz erzeugt? Während des ‘Einblasens’ vor Konzertbeginn erhöht sich

die Temperatur von Rohr und Luftsäule auf 30 oC - wie ändert sich der Grundton, geben

Sie die Frequenz an?

Schallgeschwindigkeit 340 m/s (20 oC), 350 m/s (30 oC)

Längenausdehnungskoeffzient 20*10-6 1/K


Student 1

Student 2

W4. Ein Wanderer steht an einem Gebirgsbach und macht sich Gedanken über zwei

Erscheinungen:

a) Vom Grund des Baches dringt das Mahlgeräusch der Steine nach außen.

Nähert man sich dem Ufer, so nimmt man das Geräusch erst wahr, wenn

man relativ nahe herankommt. Ab welchem Winkel ist dieses Geräusch

hörbar (Annahme: geradlinige Ausbreitung)?

b) Auf dem Grund des Baches sitzt ein Frosch. Dieser sieht den Mond

unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen. Unter welchem Winkel sieht

er den Mond, wenn er dem Strahl folgend aufgetaucht ist?


Student 1

Student 2


W5. Eine Sammellinse erzeugt von einem Gegenstand (Pfeil, Höhe 2 cm,

Gegenstandsweite 10 cm) ein Bild.

a) Konstruieren Sie die Lage des Bildes und die Brennpunkte

maßstäblich je für ein um die Hälfte verkleinertes und ein doppelt

so großes Bild.

b) Berechnen Sie die Brennweite der Linse

c) In welchem Abstand von der Linse muß der Gegenstand hingestellt

werden, damit das Bild gleichgroß ist wie der Gegenstand ?


Student 1

Student 2

W6. Drei aufeinanderfolgende Resonanzfrequenzen einer Orgelpfeife wurden mit 1310 Hz,

1834 Hz und 2358 Hz gemessen.

a) Ist die Pfeife an einem Ende geschlossen oder an beiden Enden offen?

b) Wie hoch ist ihre Grundfrequenz?


Student 1

Student 2


W7. Auf ein Beugungsgitter mit der Gitterkonstante g = 4 µm falle grünes Licht mit einer

Wellenlänge von 550 nm.

a) Skizzieren Sie die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichtes als

Funktion des Ablenkwinkels für den Fall, daß die Spaltbreite sehr

klein ist und sehr viele Spalte ausgeleuchtet werden.

b) Unter welchem Winkel beobachtet man das 2. Intensitätsmaximum?

c) Was geschieht, wenn nur wenige Spalte ausgeleuchtet werden?

d) Skizzieren Sie die Intensitätsverteilung, wenn die Spaltbreite

merkliche Werte bezogen auf die Gitterkonstante annimmt.


Student 1

Student 2

W8. Eine Linse habe die Brennweite 2 cm in Luft. Vor der Linse steht ein 2 cm hoher

Gegenstand, der nacheinander auf die Positionen 1 cm, 3 cm, 4 cm und 6 cm von der

Linse entfernt gesetzt wird.

Konstruieren und berechnen Sie die (scharfe) Bildweite und die zugehörige Bildgröße.

Sie dürfen alle Fälle in eine Skizze einzeichnen.


Student 1

Student 2


W9. Aus einer offenen Schiebetür der Breite 1 m, welche in der Mitte einer langen Wand liegt,

dringt Lärm aus einem großen Maschinenraum. Man unterscheidet 2 Lärmeindrücke:

Pfeifen und Zischen. Die Maxima der Emission liegen bei 1 kHz und bei 9 kHz. Rechnen

Sie bitte mit diese diskreten Frequenzen. Ein Mann steht in großen Abstand im

geometrischen Schatten hinter der Tür, im Winkel von 30° zur Durchgangsrichtung. Es

wird angenommen, daß die Schallwellen als ebene Wellen senkrecht auf die Tür

auftreffen, Reflexionen werden vernachlässigt.

a) Welches Modell verwenden Sie hier zur Rechnung?

Warum ist können Sie dies anwenden?

b) Der Mann hört im Wesentlichen den tieferen Ton, warum?

c) Geben Sie die relevanten Klassifikationszahlen für die beiden Frequenzen an.

d) Wie weit muß die Tür geschlossen werden, damit die tiefe Frequenz im

ganzen 'Beobachtungs-Raum' hörbar wird?

e) Ist die höhere Frequenz im Fall d) dann an der Beobachtungsstelle

(30°) leiser wie bei der 1 m weit geöffneten Tür, warum?


Student 1

Student 2

W10.Zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse nach dem Besselverfahren benutzt

man die Tatsache, daß es bei hinreichend großem, fest vorgegebenen Abstand zwischen

Objekt und Schirm zwei Stellungen der Linse gibt, bei denen ein scharfes Bild entsteht.

Gemessen wird dann der Abstand der beiden Stellungen.

a) Skizze

b) Konstruktion zunächst einer scharfen Abbildung mit Bestimmung der Brennweite

durch Abmessen, danach Konstruktion der anderen Abbildung.

c) Mit welchen Formeln und welchen Verknüpfungen kann die Brennweite aus dem

Abstand des Besselverfahrens berechnet werden?


Student 1

Student 2


W11.Zwei im Abstand d voneinander angeordnete Lautsprecher strahlen phasengleich einen

Meßton ab. Ein Beobachter, der sich zunächst in genügend großem Abstand genau auf

der Mittelsenkrechten der gedachten Verbindungslinie beider Lautsprecher befindet, hört

dort die maximale Lautstärke. Nun bewegt er sich genau parallel zur

Lautsprecherverbindungslinie und bemerkt eine abnehmende Lautstärke. An einem Punkt

ist es ganz still. Geben Sie die Formel an, mit der die Frequenz aus den Geometriedaten

errechnet werden kann. Der Abstand der beiden Lautsprecher, der Abstand bei maximaler

Lautstärke und der Abstand Maximum - Minimum seien bekannt.


Student 1

Student 2

W12.Zwei Lautsprecherboxen sind in einem Abstand von 4 m nebeneinander aufgestellt und

zeigen senkrecht bzgl. einer gedachten Verbindungslinie zwischen beiden von dieser weg.

Ein Hörer befindet sich 4,2 m vom einen und 3,2 m vom anderen Lautsprecher entfernt.

Sein 'Gehör' wird als punktförmiger Detektor angenähert. Aus beiden Lautsprechern wird

dasselbe Programm ohne Phasenverschiebung in Näherung als ebene Harmonische

Welle abgestrahlt.

a) Welche Frequenzen 'hört' der Zuhörer nicht (Formel f = ... genügt)?

b) Würde dies (aus a)) auch in einem 'normalen' Zimmer so auftreten?

c) Was ändert sich, wenn einer der beiden Lautsprecher verkehrt gepolt

angeschlossen wurde?


Student 1

Student 2


W13.Ein Laserstrahl ( = 632 nm) wird in einen Gasstrahl (v = 1000 m/s) parallel

hineingeschossen. Er trifft dort auf Gasmoleküle, welche sein Licht auch auf einen direkt

neben dem Laser positionierten Empfänger werfen.

a) Welcher Effekt tritt auf?

b) Wie oft tritt dieser Effekt in welcher Ausprägung auf?

c) Wie groß ist die Frequenzverschiebung?


Student 1

Student 2

W14.Am Meer beobachtet ein Badegast Wasserwellen mit einer Wellenlänge von 10 m und

einer Periodendauer von 10 s. Die Wellen treffen unter 45° zum Lot auf eine Stufe unter

der Wasseroberfläche, danach ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit nur noch 75 % der

ursprünglichen Geschwindigkeit weit draußen.

- Geben Sie eine Wellenfunktion für die Auslenkung der Wasseroberfläche an.

- Wie groß ist die Wellenzahl und die Ausbreitungsgeschwindigkeit vor der Stufe

(weit draußen)?

- Wie heißt der Oberbegriff des an der Stufe auftretenden Effektes (nur ein Stichwort)?

- Um wieviel Grad ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Wellen an der Stufe?


Student 1

Student 2


Wärmelehre (Thermodynamik)

T1. Gegeben sind zwei identische Metallstangen, die exakt dieselbe Temperatur aufweisen.

Eine der beiden steht senkrecht auf einer Platte, die andere hängt an einem dünnen

Faden. Nun wird beiden Stangen genau dieselbe Wärmemenge zugeführt. Anschließend

wird die Temperatur der beiden Stangen exakt gemessen - sie weisen leicht

unterschiedliche Temperaturen auf – warum?

Alle Wärmeverluste durch Strahlung, Aufhängung, Platte, etc. sind zu vernachlässigen.

Keine Formeln erforderlich, Stichworte als Begründung genügen!


Student 1

Student 2

T2. Ein elektronisches Gerät 'verbrät' in seinem luftgefüllten Gehäuse (frei schwebend und

ohne Öffnungen angenommen) eine Leistung von 10 W.

a) Welche Gleichgewichtstemperatur stellt sich bei Vernachlässigung der Wärmestrahlung

ein, welcher Anteil kann hier vernachlässigt werden?

b) Falls sich das Gehäuse (innen trotzdem luftgefüllt) im Weltraum (T = 0 K) befände,

welche Temperatur würde sich einstellen, wie müssen die Bauelemente dann ausgelegt

werden?


Student 1

Student 2


T3. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Isoliermaterial wird folgender Versuchsaufbau

verwendet: Zwischen 2 Eisenplatten (Fläche 20cm*20cm, Dicke 2cm) wird das zu

untersuchende Material (gleiche Fläche, Dicke 3mm) gelegt. Die obere Eisenplatte wird

durch elektrische Heizung auf 80°C erwärmt, die untere durch Kühlung auf 20°C gebracht

(stationärer Zustand). Durch Isolierung werden Wärmeverluste an die Umgebung

vermieden. Wie groß ist die Wärmeleitzahl des zu untersuchenden Stoffes, wenn nach

Abschalten der Heizung die Temperatur der oberen Platte nach einer Minute um 2,7K

gesunken ist?


Student 1

Student 2

T4. Ein ständig stromdurchflossener Lastwiderstand der Fläche 10 cm² gibt Wärme durch

Wärmestrahlung und -leitung an die umgebende, ruhende Luft ab.

a) Berechnen Sie die beiden Wärmeströme und vergleichen Sie diese.

b) Berechnen Sie den Strom durch den Widerstand bei einem

Spannungsabfall von 1 V .


Student 1

Student 2


T5. Eine Hybridschaltung wird in einem Gehäuse montiert und mit 2 Harzen vergossen. Die

Hauptquelle der Verlustwärme ist ein großflächiger Chip; für die Abschätzung des

Wärmestromes kann also mit ebenen Schichten gerechnet werden. Der Wärmestrom

durchfließt vom Chip aus:

- eine erste Epoxidharzschicht (d = 0,5 mm , = 0,1 W/mK)

- eine zweite Epoxidharzschicht (d = 5,0 mm , = 1,0 W/mK)

- die Gehäusewand aus Thermoplast (d = 1,0 mm , = 0,5 W/mK)

a) Welche Wärmestromdichte (Wärmestrom pro Fläche) tritt auf, wenn

der Chip bei 120oC betrieben wird und an der Außenseite des

Gehäuses eine Temperatur von 50oC herrscht?

b) Berechnen Sie die Temperaturen und zeichnen das Temperaturprofil

vom Chip bis in den Außenraum.

c) Welche Schicht würden Sie ändern, wenn Sie mehr Wärme abführen

müssen, warum?


Student 1

Student 2

T6. Eine 12 cm dicke Ziegelwand ( = 0,9 W/Km), beiderseits mit 1,5 cm Putz ( = 0,7 W/Km)

soll mit einer Styroporschicht ( = 0,07 W/Km) verstärkt werden, so dass der gesamte

Wärmeleitwiderstand demjenigen eine 36 cm dicken Ziegelwand ( = 0,9 W/Km), welche

ebenfalls beiderseits verputzt (je 1,5 cm, = 0,7 W/Km) ist, entspricht. Wie dick muss das

Styropor sein?


Student 1

Student 2


T7. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Isoliermaterial wird folgender Versuchsaufbau

verwendet: Zwischen 2 Eisenplatten (Fläche 20cm*20cm, Dicke 2cm) wird das zu

untersuchende Material (gleiche Fläche, Dicke 3mm) gelegt. Die obere Eisenplatte wird

durch elektrische Heizung auf 80°C erwärmt, die untere durch Kühlung auf 20°C gebracht

(stationärer Zustand). Durch Isolierung werden Wärmeverluste an die Umgebung

vermieden. Wie groß ist die Wärmeleitzahl des zu untersuchenden Stoffes, wenn nach

Abschalten der Heizung die Temperatur der oberen Platte nach einer Minute um 2,7K

gesunken ist?


Student 1

Student 2

T8. Tauchsieder; Werte cWasser = 4,0 kJ/kgK , rWasser = 2,0 MJ/kg

a) Ein Tauchsieder soll 2 kg Wasser bei Normaldruck von 20°C genau auf 100°C

erwärmen. Wie viel Energie ist hierzu nötig?

b) In welcher Zeit hat der Tauchsieder das Wasser erwärmt, wenn er eine Leistung von

2 kW besitzt?

c) Der Tauchsieder bleibt weiterhin eingeschaltet und führt dem Wasser 6 Minuten weiter

Energie zu. Wie viel Wasser verdampft?


Student 1

Student 2


T9. Eine Schaufensterscheibe ist 10 mm dick. Die Wärmeleitfähigkeit des Glases beträgt

1,0 W/Km, die Wärmeübergangskoeffizienten betragen bei praktisch ruhender Innenluft

10 W/Km² und 20 W/Km² bei leicht bewegter Außenluft. Im Innenraum wird die

Temperatur konstant gehalten, die Außenluft weise ebenfalls eine konstante Temperatur

auf. Unterhalb welcher Außentemperatur kann sich an der Innenseite der Scheibe Eis

bilden?


Student 1

Student 2

Documents

Physik- Übungsaufgaben / Übungsklausur Blankenbacheitidaten.fh-pforzheim.de/daten/mitarbeiter/blankenbach/... · Bitte in Zweierteams bei den nachfolgenden Aufgaben in zwei unterschiedlichen