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Fragensammlung Abschnitt 3 - Online-Prüfung 1/9

Fragensammlung für Abschnitt 3Online-Ergänzungsprüfung Physik

Juni 2020Version 22. Juni 2020

1 Rotation

Grundbegriffe

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Winkelgeschwindigkeit, Bahngeschwindigkeit, Winkelbeschleuni-gung, Frequenz, Umlaufzeit!

• Was ist der Unterschied zwischen Translation und Rotation?

• Was ist der Unterschied zwischen Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit?Die beiden linken Zahnräder sind fest mit einander verbunden. Das rechteZahnrad greift in die Zähne des oberen linken Zahnrades.a) Welche Räder haben dieselbe Winkelgeschwindigkeit? (Begründung)b) Welche Räder haben dieselbe Bahngeschwindigkeit? (Begründung)

• Die Abbildung zeigt, wie das Hinterrad eines Fahrrades durch eine Ketteangetrieben wird.a) Welche Räder haben dieselbe Winkelgeschwindigkeit? (Begründung)b) Welche Räder haben dieselbe Bahngeschwindigkeit? (Begründung)

Drehmoment, Gleichgewicht

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Drehmoment, Trägheitsmoment, Gleichgewicht, Hebel!

• Wie ist das mechanische Gleichgewicht in einem System definiert?(Physikalische Größe, Einheit)

• Was ist der Unterschied zwischen einem einseitigen Hebel und einem zweiseitigen Hebel? Welches Gesetzgilt hier?

• Was können Sie aus physikalischer Perspektive zu diesem Bild sagen?

K. Durstberger-Rennhofer, www.vwu-info.at/physik SoSe 2020


• In welcher Situation ist die Wippe im Gleichgewicht? Warum?

Drehimpuls

• Definitionen und Einheiten des Begriffes Drehimpuls.Was sagt der Drehimpulserhaltungssatz?

• Ein Eiskunstläufer macht eine Pirouette. Dabei zieht der die Arme ganz nahe an den Körper heran.Was passiert hier? Beschreiben Sie die Sitation! Welche physikalische Größe wird hier zur Beschreibungverwendet?

• Ein Stern hat den Radius von r1 und eine bestimmte Rotationsdauer T1. Er wandelt sich am Ende seinerLebenszeit in einen Pulsar (schnell rotierender Neutronenstern) um, der die gleiche Masse hat aber einenviel kleineren Radius r2. Was passiert mit der Rotationsdauer des Sterns, wenn er sich zusammenzieht?Welche physikalische Größe wird hier zur Beschreibung verwendet?

Rotationsenergie

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Rotationsenergie, kinetische Energie, potentielle Energie!

• Wieviel Energie braucht man um, einen Reifen (Radius r, Masse m) von 0 auf die Geschwindigkeit v zubeschleunigen, wenn man ihna) um eine feste Achse dreht (reine Rotation)b) auf einer ebenen Straße rollt (Rotation + Translation)!

• Ein Ring (Masse m, Radius r) rollt auf einer schiefen Ebene aus der Höhe h zuBoden. Die Anfangsgeschwindigkeit ist v0 = 0, es gibt keine Reibung.a) Welche Formen der Energie ändern sich bei diesem Vorgang?b) Wie kann man daraus die Geschwindigkeit des Rings bei der Ankunft am Bodenbestimmen?

• Ein Quader (Masse m) bewegt sich auf einer schiefen Ebene aus der Höhe h zu Boden.Die Anfangsgeschwindigkeit ist v0 = 0, es gibt keine Reibung.a) Welche Formen der Energie ändern sich bei diesem Vorgang?b) Wie kann man daraus die Geschwindigkeit des Quaders bei der Ankunft am Bodenbestimmen?



Zentripetalkraft

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Zentripetalkraft!

• Richtungen der Zentripetalkraft und der Bahngeschwindigkeit!

• Erklären Sie das Bild!Welche Bewegung ist hier dargestellt? Wie groß ist die Kraft?Was passiert, wenn die Kraft nicht mehr da ist?

• Eine Masse m rotiert wie in der Abbildung an einem Faden. Die Rotationsachse istvertikal. Der Faden bildet mit der vertikalen Achse einen Winkel von α.a) Führt die Masse eine gleichförmige oder eine beschleunigte Bewegung aus?Begründen Sie Ihre Antwort!b) Welche Kräfte wirken auf die Masse? In welche Richtungen?

• Ein Kettenkarussell dreht sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω. Die Längeder Kette (bis zum Körperschwerpunkt) ist l. Der Winkel zwischen der Drehachseund der Kette ist α. Die Person auf dem Karussell hat die Masse m.a) Welche Bewegung macht die Person auf dem Karussell?b) Welche Kräfte wirken auf die Person?

Schwerpunkt und Kippen

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Schwerpunkt, Schwerpunktsatz!

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Standfestigkeit, Kippmoment, Standmoment!

• Was ist hier dargestellt? Wann kippt ein Körper? Wie kann man das physikalisch berechnen?

• Ein Kasten (Masse m) mit dem Schwerpunkt in der Mitte soll durcheine seitlich angreifende Kraft F verschoben werden. Der Schrank hatdie Höhe h und die Breite b.In welcher Höhe a vom Boden darf die Kraft zum Anschieben maximalwirken, damit der Schrank nicht kippt?



2 Scheinkräfte

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Inertialsystem, Scheinkräfte, Trägheitskräfte, Zentrifugalkraft!

• Was wird auf diesem Bild dargestellt? Was ist der Unterschied?

• Ein Lastkraftwagen (LKW) fährt mit konstanter Geschwindigkeit v und bremstdann gleichmäßig ab bis zum Stillstand. Auf der Ladefläche steht ein Schrank(Höhe h = 2 m, Breite b = 0, 8 m). Er ist gegen Verschiebungen (Gleiten) vorneund hinten gesichert, aber er kann kippen.a) Welche Kräfte wirken beim Bremsen auf den Schrank für einen Beobachter,der sich auf dem Lastwagen befindet? Handelt es sich um wirkliche Kräfte oderum Scheinkräfte? In welchen Systemen treten Scheinkräfte auf?b) Wovon hängt es ab, ob der Körper beim Bremsen kippt?

• Eine Masse m rotiert wie in der Abbildung an einem langen Faden, der mit dervertikalen Achse den Winkel α einschließt.Beschreiben Sie die eingezeichneten Kräfte! Welche Kräfte beobachtet man, wennman dieses System von außen betrachtet? Welche Kräfte spürt ein Beobachterauf der rotierenden Masse?

3 Gravitation

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Gravitationskraft, Fallbeschleunigung!

• Ein Satellit der Masse m umkreist die Erde (Masse ME) auf einerKreisbahn mit dem Radius r. Warum bewegt sich der Satellit auf einerKreisbahn? Welche Kräfte wirken auf den Satelliten? Welche speziellenArten von Satelliten gibt es (im Bezug auf die Umlaufzeit)?

• Die Masse der Erde ist ME , die Masse des Mondes ist MM . DerMond umkreist die Erde auf einer Kreisbahn mit dem Radius r.Ein Satellit der Masse m befindet sich zwischen den beiden.a) In welche Richtung zeigen die Gravitationskräfte, die auf denSatelliten wirken?b) In einem Punkt heben sich die Gravitationskräfte von derErde und vom Mond sich genau auf. Liegt dieser Punkt näherbei der Erde oder näher beim Mond? Warum?



• a) Beschreiben Sie das allgemeine Gravitationsgesetz!b) Wie erhält man aus dem allgemeinen Gravitationsgesetz die Fallbeschleunigung gauf der Erdoberfläche? Wovon hängt die Fallbeschleunigung eigentlich ab?

4 Elastizität

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: mechanische Feder, Federkonstante, E-Modul, relative Längenänderung,absolute Längenänderung!

• Vergleichen Sie die Kräfte bei der Ausdehnung einer mechanischen Feder und eines langen Stabes!a) Zu welchen Größen sind diese Kräfte proportional oder umgekehrt proportional?b) Worüber informieren die Konstanten, die dabei vorkommen?

• Eine mechanische Feder ist schematisch gezeichnet.a) Was ist eine mechanische Feder?b) Erklären Sie die Bilder! Was ist der Unterschied zwischen F und Ffeder?Was ist ∆x?c) Wie viel Energie ist in einer Feder gespeichert?

• a) Wie ist der E-Modul definiert? In welcher Einheit wird er gemessen? Ist er eine Materialkonstante?Was gibt der E-Modul an?b) Was ist der Unterschied zwischen der relativen Längenänderung und der absoluten Längenänderung?

5 Schwingungen

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: harmonische Schwingung, Elongation, Amplitude, Ruhelage, Pe-riode, Kreisfrequenz, rücktreibende Kraft (Rückstellkraft), mathematisches Pendel (Fadenpendel), Feder-pendel!

• Erklären Sie die Abbildung! Wie entsteht eineharmonische Schwingung?

• Die Abbildung soll eine harmonische Schwingungdarstellen.a) Was wird auf den beiden Achsen aufgetragen?b) Was stellen die beiden Doppelpfeile dar?c) Wie entsteht eine harmonische Schwingung? (Bei-spiele)

• Die Masse m kg schwingt harmonisch mit der Amplitude y0.a) Was versteht man unter einer harmonischen Schwingung? Auf welchen Punkt ist die rücktreibendeKraft immer gerichtet? Wozu ist die rücktreibende Kraft proportional?b) Wie sieht ein Weg-Zeit-Diagramm dieser Schwingung aus! Wo kann man die Periode ablesen?c) Wie sind kinetische und potentielle Energie bei der Schwingung verteilt?



6 Wellen

Laufende und stehende Wellen

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Welle, Wellenlänge, Periode, Amplitude, Ausbreitungsgeschwin-digkeit, Wellenberg, Wellental, Knoten, Schwingungsbauch, Phasenverschiebung!

• Erklären Sie die Abbildung! Wie entsteht eine Welle?Was ist der Unterschied zwischen den beiden Wellen?

• Die Abbildung zeigt eine Welle zu verschiedenen Zeiten. Die Zeitunter-schiede sind für die ersten drei Bilder gleich und für das vierte Bildverschieden.a) Handelt es sich um eine stehende oder eine laufende Welle? Was istder Unterschied?b) Wie groß ist der Zeitunterschied zwischen dem obersten und dem un-tersten Bild?c) Wie lautet die Grundgleichung für Wellen, die drei wichtige Größenfür Wellen verbindet?

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x

x

x

x

• Die Abbildung zeigt eine Welle zu verschiedenen Zei-ten.a) Handelt es sich um eine stehende oder um einelaufende Welle? Was ist der Unterschied?b) Wo kann man eine Wellenlänge erkennen!c) Wo kann man den Phasenunterschied erkennen!d) Wie lautet die Grundgleichung für Wellen, die dreiwichtige Größen für Wellen verbindet?

• Die Abbildung zeigt eine laufende und eine stehendeWelle mit gleicher Wellenlänge und Fequenz. BeideWellen werden zu verschiedenen Zeitpunkten abge-bildet. Das rechte Bild und das linke Bild geltenimmer für denselben Zeitpunkt. Die Ausbreitungs-geschwindigkeit ist in beiden Fällen gleich groß.a) Welche ist die stehende und welche ist dielaufende Welle?

b) Für die beiden obersten Wellen gilt t = 0 s. Für die zweite Zeile gilt t = 1 s. Für welchen Zeitpunktgilt das Bild in der letzten Reihe?c) Wie sieht das letzte Bild in der rechten Spalte aus?d) Wie entstehen stehende Wellen?



• In einem Medium wurde eine einfache Trans-versalwelle erzeugt. Die beiden Bilder zeigenzum einen die Momentaufnahme der Welleund zum anderen den Verlauf der Schwingungeines “Mediumteilchens”.a) Geben Sie an, welches der beiden Bilder dieMomentaufnahme der Welle ist und welchesdie Schwingung eines Mediumteilchens dar-stellt, und begründen Sie Ihre Entscheidung!b) Bestimmen Sie aus den Bildern dieAmplitude, die Schwingungsdauer und dieWellenlänge der Welle!c) Wie kann man die Ausbreitungsgeschwin-digkeit der Welle bestimmen?

• a) Wie hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Wellenlänge und der Frequenz ab?b) Was können sie über die Schwingungsrichtung und die Ausbreitungsrichtung bei Transversalwellen undbei Longitudinalwellen sagen? Geben Sie je ein Beispiel an!

• Die Abbildung zeigt dieselbe Welle zu verschiedenenZeiten.Handelt es sich um eine laufende oder eine stehende Welle?Warum!

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• Die Abbildung zeigt dieselbe Welle zu verschiedenen Zeiten.Handelt es sich um eine laufende oder eine stehende Welle?Warum!

Interferenz

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Phasenverschiebung, Zeitverschiebung, Wegverschiebung!

• Gegeben sind zwei Wellen mit gleicher Wellenlänge λ und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c.a) Welche Welle entsteht bei der Interferenz, wenn die beiden Wellen eine Phasenverschiebung von 0◦

haben? Wie nennt man diese Interferenz?b) Welche Welle entsteht bei der Interferenz, wenn die beiden Wellen eine Phasenverschiebung von 180◦

haben? Wie nennt man diese Interferenz?

Grund- und Oberschwingungen

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Grundschwingung, Oberschwingung!

• Die gesamte Länge des Mediums ist 8 m.a) Was ist hier zu sehen? Wie entsteht diese Schwingung?b) Welche Oberschwingung ist hier zu sehen?c) Wie groß ist die Wellenlänge dieser Schwingung?





Schallwellen

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Schallgeschwindigkeit, Lautstärke, Tonhöhe, Klangfarbe, Kundt’schesRohr!

• In einem Kundt’schen Rohr (Länge l = 24 cm) sieht man Staubfiguren an bestimmten Stellen.a) Erklären Sie die Funktionsweise eines Kundt’schen Rohres. Wozu wird es verwendet? b) Welche Artvon Wellen entstehen im Rohr und an welchen Stellen sammelt sich der Staub?

Dopplereffekt

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Arten des Doppler-Effektes!

• Erklären Sie was auf den Bildern dargestellt wird und beschreiben Sie den physikalischen Effekt dahinter.

• Erklären Sie den Unterschied zwischen den beiden dargestellten Effekten.

• Welcher physikalische Effekt wird auf den Bildern dargestellt? Unter welchen Bedingungen kommt es zumletzten Bild?



Leistung, Intensität

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Energie, Leistung, Intensität, Energiedichte!

• a) Was ist der Unterschied zwischen den beiden Bildern? Welche Art von Welle wird hier dargestellt?b) Was gibt die Leistung einer Welle an? Was gibt die Intensität einer Welle an?c) Was kann man über die Intensität der jeweiligen Welle an den beiden gekennzeichneten Punkten x1und x2 > x1 aussagen?

7 Ruhende Flüssigkeiten

• Definitionen und Einheiten der Begriffe: Oberflächenspannung, Grenzflächenspannung, Kohäsion, Adhäsion,benetzende Flüssigkeit, nicht-benetzende Flüssigkeit, Kapillarität!

• Die grünen Kugeln stellen z.B.”Glasteilchen“ dar, die blauen

Kugeln sind z.B.”Wasserteilchen“.

a) Erklären Sie, was hier dargestellt wird. Was stellen die Pfeiledar?b) Welche physikalischen Konzepte können damit erklärt werden?

• a) Erklären Sie den Unterschied zwischen Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung!b) Vergleichen Sie Kohäsion und Adhäsion bei benetzenden und nicht-benetzenden Flüssigkeiten!

• Ein Flüssigkeitstropfen wird in einem Drahtbügel (Länge L) durch ein kleines Gewicht(mgewicht) zu einer rechteckigen Flüssigkeitsschicht ausdehnt.a) Wie ist die Oberflächenspannung definiert? In welcher Einheit wird sie angegeben?b) Wodurch entsteht die Oberflächenspannung? (Erklärung im Teilchenmodell)c) Wie hängen Energie und Oberflächenspannung zusammen?

• Ein Wasserläufer (Käfer, siehe Bild) mit der Masse m kann sich auf dem Wasserbewegen ohne einzusinken.a) Erklären Sie, warum sich der Wasserläufer auf dem Wasser bewegen kann!b) Welche Kräfte wirken hier? Wovon hängen diese Kräfte ab?

• Was ist der Unterschied zwischen den beiden Bildern? Erklären Sie warum es zu diesem Effekt kommt.Wie nennt man die beiden Arten von Flüssigkeiten jeweils? Wovon hängt die Höhe h jeweils ab? GebenSie Beispiele für beide Arten von Flüssigkeit.


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