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22. PHYSIKOLYMPIADE DES LANDES THÜRINGEN 20012/2013 AUFGABEN Endrunde KLASSENSTUFE 12
Aufgabe 22.3.12.1
[10 Punkte]
Eine Kette mit der Gesamtlänge L und der Masse M wird an einem Ende festgehalten und hängt senkrecht so, dass das andere Ende gerade eine Tischplatte berührt. Nach dem Loslassen der Kette fällt sie frei auf die Tischplatte. Welche Kraft übt die Kette auf die Tischplatte in Abhängigkeit von der Zeit aus? Skizzieren Sie den Zusammenhang F(t)! Aufgabe 22.3.12.2
[10 Punkte]
Ein mit Luft ( c v / Luft 0,72 kJ kg 1 K 1 , M Luft 29 g mol 1 ) gefülltes Glasgefäß ist mit einem offenen U-Rohr-Manometer verbunden, das mit einer Flüssigkeit der Dichte Fl 1,60 g cm 3 gefüllt ist (siehe Abbildung). Der Innendurchmesser der Röhrchen ist D 1,00 cm . Anfangs stehen die beiden Flüssigkeitsspiegel auf gleicher Höhe ( x x 0 0 cm ). Dabei hat das Gas insgesamt das Volumen VA 0,5 dm 3 . Der äußere Luftdruck beträgt p L 980 hPa, die Anfangstemperatur der gesamten Anordnung 0 20C .
a)
Berechnen Sie die Stoffmenge und die Masse der Luft im Gefäß!
Mit Hilfe eines kurzen Stromstoßes durch eine Heizwicklung im Gefäß wird dem Gas Wärme zugeführt. Die Flüssigkeitsspiegel im Manometer verschieben sich in den beiden Schenkeln jeweils um x 15 cm und bleiben dort einige Zeit stehen. b)
Berechnen Sie die den Druck p E , das Volumen VE und die Temperatur TE der Luft nach dem Stromstoß!
c)
Skizzieren Sie diesen Prozess in einem p-V-Diagramm! Verbinden Sie Anfangs- und Endzustand vereinfachend durch eine Gerade.
d)
Wie groß ist die bei diesem Prozess verrichtete Volumenarbeit?
In der Heizwicklung wurde durch den Stromstoß die Wärme Q Heiz 12 J erzeugt. e)
Berechnen Sie die vom Gas aufgenommene Wärme und die während der Ausdehnung über die Gefäßwände nach außen abgegebenen Wärme.
1
Aufgabe 22.3.12.3
[10 Punkte]
Ein Viertelzylinder aus Glas mit der Brechzahl n 1,5 und dem Radius R 5,0 cm liegt auf einem Tisch. Seine vertikale Fläche wird senkrecht von einem parallelen Lichtbündel getroffen. Welche Stellen hinter dem Glaskörper werden beleuchtet?
Hinweis: Verwenden Sie zur Lösung auch die Linsenmacherformel f
Aufgabe 22.3.12.3
R . n 1
Wechselstromnetzwerk [10 Punkte]
In der folgenden Schaltung eines Wechselstromkreises sind die verwendeten Bauelemente einstellbar: C1 von 5,0 F bis 50 F , C 2 von 10 F bis 80 F , R von 2,0 bis 500 . Die angelegte Spannung ist konstant und beträgt U 10 V . Die Frequenz kann zwischen 10 Hz und 10 kHz verändert werden. Berechnen Sie die minimale Stromstärke im Messgerät! C1
R
Der Innenwiderstand des Strommessers kann vernachlässigt werden.
C2
2
