Physik - Gymnasium St. Antonius Appenzell

Beachte:
• Auf saubere und übersichtliche Darstellung
achten.
• Der Lösungsweg muss klar ersichtlich sein.
• Für jeden Aufgabenbereich (Mechanik, Hydrostatik,
etc.) ein eigenes Blatt verwenden
(keine Durchmischung).
• Zuerst die einfacheren Aufgaben lösen.
• Dauer: 3 Stunden, 8.00 - 11.00
1. Elektrizitätslehre (7 P.)
Ein Elektron wird in einem homogenen elektrischen Feld beschleunigt.
Die Feldstärke E
beträgt 2000 N/C.
Gymnasium St. Antonius
Appenzell
Matura 2010
5. Prüfungsfach Physik
Bewertung:
a) Berechne den Abstand von 2 Kondensatorplatten, wenn an diese eine
Spannung von 100 V angelegt wird, damit das oben genannte Feld erzeugt
wird. (1 P.)
b) Bestimme die notwendige Fläche des Kondensators mit Papier als Dielektrikum
(grösstmöglichen Wert aus der Formelsammlung wählen), damit
die im Kondensator gespeicherte Energie 10 -6 J beträgt. (2 P.)
c) Berechne die Beschleunigung eines Elektrons in einem elektrischen Feld
der oben genannten Stärke. (1 P.)
d) Berechne die Arbeit, die am Elektron verrichtet wird, wenn dieses die gegebene
Spannung von 100 V durchläuft. (1 P.)
e) Berechne die Geschwindigkeit dieses Elektrons nach Durchlaufen der
Spannung, wenn dieses eine Anfangsgeschwindigkeit von v0 = 0 m/s
hatte. (1 P.)
f) Während der Beschleunigung des Elektrons wird ein Magnetfeld parallel
zum elektrischen Feld aber mit entgegengesetzt gerichteten Feldlinien
angelegt. Beschreibe und begründe in Worten und mit Hilfe einer Skizze,
was unter diesen Voraussetzungen genau mit dem Elektron passiert.
(1 P.)
Diego Bauer, 5. Juni 2010
• Die Punkte werden gemäss
Angaben vergeben.
• Die maximale Punktzahl beträgt
45 Punkte.
• Note 6: 40 Punkte
Note 4: 24 Punkte
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2. Hydrostatik und Gasgesetze (8 P.)
Ein Fussball von 450 g Masse und einem Durchmesser von 22 cm ist mit einem Druck von 3 bar
aufgepumpt. Die Temperatur betrage ϑ = 20° C.
a) Berechne, wie viele Mol Luft der Fussball enthält, wenn die Wandstärke
des Balles vernachlässigt wird. (2 P.)
b) Bestimme die Masse der eingeschlossenen Luft. (1 P.)
c) Der Ball wird nun 4 m unter Wasser gedrückt, wobei sich die Temperatur
ϑ nicht verändert. Bestimme das Volumen des Balles. (2 P.)
d) Berechne die resultierende Kraft, die den Ball in 4 m Wassertiefe nach
oben treibt. Bestimme hierzu zuerst die neue Dichte des Balles. (2 P.)
e) Diskutiere qualitativ unter Berücksichtung der Eigenschaften der eingeschlossenen
Luft, welcher Zusammenhang zwischen der effektiven Auftriebskraft
und der Wassertiefe besteht.
(1 P.)
3. Mechanik (12 P.)
Ein Schütze schiesst aus dem Stand mit einer Luftpistole aus einer Distanz von 10 m auf eine
Zielscheibe und trifft genau ins Schwarze. Der Abschuss erfolgt horizontal auf einer Höhe von
1.60 m, die Mitte der Zielscheibe befindet sich auf einer Höhe von 1.55 m.
a) Berechne die Geschwindigkeit des Projektils beim Verlassen des Laufes unter
Vernachlässigung des Luftwiderstandes. (2 P.)
b) Berechne die Masse des Projektils, wenn dieses aus Blei besteht und nebenstehende
Spezifikationen aufweist. (2 P.)
c) Bestimme die mittlere Beschleunigung des Projektils im Pistolenlauf
(Länge: 20cm). (1 P.)
d) Berechne die mittlere Kraft, die auf das Projektil wirkt. (1 P.)
e) Bestimme die verrichtete Arbeit an der Kugel während der Beschleunigung
im Lauf. (1 P.)
Ein anderer Schütze schiesst mit Pfeil und Bogen. Die Distanz zwischen Schütze und Scheibe ist
30 m. Der Bogen hat eine “Federkonstante” von 320 N/m, der Pfeil wiegt 200 g.
f) Bestimme die Spannarbeit, die der Schütze verrichten muss, wenn zum
Spannen der Sehne eine Distanz von 0.8 m überwunden wird. (1 P.)
g) Berechne die Geschwindigkeit, mit der der Pfeil den Bogen verlässt, wenn
die Spannarbeit zu 100 % an ihm verrichtet wird. (1 P.)
h) Nach dem Turnier hängt der Schütze den Bogen in der Mitte der Sehne an
einen Nagel und der Bogen schwingt nach und zwar mit einer Frequenz von
2.5 Hz. Berechne die Schwingungsdauer und die Masse des Bogens. (2 P.)
i) Begründe: handelt es sich bei diesem Phänomen um eine harmonische
Schwingung, wenn alle Widerstände (Reibung, Luft, etc.) ausser Acht gelassen
werden? (1 P.)
Matura, 5.6.2010, Bd Gymnasium St. Antonius, Appenzell Seite 2 / 4
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2 mm

4. Kinematik, Impuls, schiefer Wurf (10 P.)
Allgemeine Angaben zum Hornussen
• Nuoss: 78g,
• Träf: 300 g
• Länge Stecken: 3 m
Messungen der ETH haben ergeben:
(gemäss http://www.hgwattenwil.ch/was-ist-hornussen/
[accessed: 21.5.2010])
• Flugweite: 330 m
• Abschlaggeschwindigkeit der Nuoss: 306 km/h
• Geschwindigkeit des Träfs kurz vor dem Abschlag:
60 m/s
a) Die angegebene Flugweite wurde unter Einfluss des
Luftwiderstandes erreicht.
Bestimme mit den obigen Angaben, wie gross die theoretisch
mögliche Flugweite (also ohne Luftwiderstand)
ist unter der Annahme, dass die Nuoss unter
dem idealen Winkel wegfliegt und die Abschlaghöhe
30 cm beträgt. (2 P.)
b) Bestimme den Wirkungsgrad des Schlages durch das
Träf: (3 P.)
- Beschreibe zuerst in Worten deinen Ansatz.
- Berechne schliesslich den Wirkungsgrad.
c) Berechne die durchschnittliche Kraft auf die Nuoss im
Moment des Abschlages, wenn diese während
1/1000 s gewirkt und zur entsprechenden Impulsänderung
der Nuoss geführt hat. (1 P.)
d) Beschreibe, wie du den Energieverlust der Nuoss
durch den Luftwiderstand abschätzen kannst und berechne
nach deiner Methode eine plausible Zahl.
(4 P.)
Stecken
Nuoss
(Flugkörper)
Bock
Bild: http://www.emmental-tours.ch/ [21.5.2010]
Seite 3 / 4 Gymnasium St. Antonius, Appenzell Matura, 5.6.2010, Bd
Träf

5. Vermischte Bereiche (8 P.)
a) Ergänze: In einem unbelasteten Transformator entspricht das Verhältnis
aus der angelegten und der induzierten Spannung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
Gib ein Beispiel für den Einsatz von Transformatoren im Haushalt: . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
b) Werden zwei gleiche Widerstände parallel statt seriell geschaltet, so
fliesst nachher (mehr / weniger / gleich viel)
Strom durch jeden einzelnen Widerstand. (1 P.)
c) Die Induktivität einer Spule ist ein Mass für . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
d) Eine Frontalkollision von zwei Autos ist physikalisch gesehen eindeutig ein
Stoss, denn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
e) Ist die Summe aller auf einen Körper wirkenden Kräfte null, so . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
f) Newton’s Wechselwirkungsgesetz besagt in Worten ausgedrückt, dass
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Für das Kräfteverhältnis zwischen Erde und Mond bedeutet dies konkret,
dass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1 P.)
Matura, 5.6.2010, Bd Gymnasium St. Antonius, Appenzell Seite 4 / 4