Kontrollfragen Profilkurs
Die hier formulierten
Fragen berühren einen großen Teil des im Rahmen einer Abiturprüfung
abgeforderten Wissens. Sie zeigen den Umfang des zu erlernenden Stoffs auf,
ohne jedoch auf alle Aspekte einzugehen. Oftmals ist zu ihrer Beantwortung eine
ausführliche Darlegung eines Themenkomplexes erforderlich. Ein Anspruch auf
Vollständigkeit besteht jedoch nicht.
Thema 1: Mechanik
1.1 Kinematik der Punktmasse
1. Definieren Sie die Begriffe „Bewegung” und
„Massepunkt” . Wofür wird in der Physik der Vektorbegriff verwendet?
2. Unterscheiden Sie Bewegungsformen und
Bewegungsarten. Orden Sie folgende Bewegungen ein: Freier Fall, Bewegung der
Erde um die Sonne, Federschwinger, Fadenpendel.
3. Definieren Sie die Größen „Geschwindigkeit” und
„Beschleunigung” mithilfe der Differentialrechnung. Wie kann man aus dem
Beschleunigungs-Zeit-Gesetz das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz und das
Weg-Zeit-Gesetz erhalten?
4. Leiten Sie das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz und
das Weg-Zeit-Gesetz der gleichmäßig beschleunigten Bewegung mithilfe der
Integralrechnung her. Gehen Sie dabei auf die Bedeutung der
Integrationskonstanten ein.
5. Erläutern Sie die Vorzeichenregelung für a, v
und s. In welchem Fall wird der Körper langsamer?
6. Skizzieren Sie die s-t-, v-t und a-t-Graphen
einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung für verschiedene typische Fälle und
gehen Sie dabei auf die kennzeichnenden Merkmale der Graphen ein. Was bedeutet
der Spezialfall a = 0 ?
7. Charakterisieren Sie den schrägen Wurf als
zusammengesetzte Bewegung. Gehen Sie dabei auf die Berechnung der
Geschwindigkeitskomponenten v0X und v0Y ein und erläutern Sie das Zustandekommen der typischen
Wurfparabel.
8. Erläutern Sie das Vorgehen bei der Berechnung
typischer Punkte der Wurfparabel beim schrägen Wurf mit einer Abwurfhöhe größer
als Null, und zwar von: der Flugzeit, der Wurfweite, der Steighöhe (Maximal
erreichte Höhe), Steigzeit (Zeit bis zum Erreichen der Maximalhöhe), Position
des Scheitelpunktes, Auftreffgeschwindigkeit auf den Boden und Auftreffwinkel
auf den Boden.
9. Diskutieren Sie die Spezialfälle des schrägen
Wurfs. Leiten Sie dabei auch die für den jeweiligen Fall spezialisierten
Gleichungen her.
10. Charakterisieren Sie eine krummlinige Bewegung
als beschleunigte Bewegung. Gehen Sie dabei auf Radial- und
Tangentialbeschleunigung und ihre Wirkungen ein und erläutern Sie, dass auch
eine gleichförmige Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist.
1.2 Dynamik der Punktmasse
1. Analysieren Sie die Größen (mechanische) Arbeit
und Energie bezüglich Gemeinsamkeiten und Unterschieden. Nennen Sie einige
Arten mechanischer Arbeit und 4 Formen der mechanischen Energie und geben Sie,
soweit möglich, die dazugehörigen Berechungsgleichungen an.
2. Unterscheiden Sie die Gleichungen W = F·s; W = F·s·cosa und W= ò Fds bezüglich ihrer
Gültigkeitsbedingungen und geben Sie je ein praktisches Beispiel an, in dem Sie
zur Berechnung der Arbeit auf die entsprechende Gleichung zurückgreifen würden.
3. Geben Sie mindestens drei verschiedene
Formulierungen des Energierhaltungssatzes an.
4. Leiten Sie aus der Beziehung W= ò Fds die
Formel zur Berechnung der Federspannarbeit her.
5. Formulieren Sie die drei Newtonschen Axiome in
ihrer allgemeinen Form.
6. Warum heißen die Newtonschen Axiome „Axiome”
und nicht „Gesetze”?
7. Leiten Sie aus dem zweiten Newtonschen Axiom
die Beziehung F = m·a her.
9. Unterscheiden Sie die Begriffe
„Wechselwirkungskraft” und „Gleichgewichtskraft”.
10. Erläutern Sie die vektorielle Zerlegung von
Kräften ausführlich am Beispiel der geneigten Ebene. gehen Sie dabei sowohl auf
die für die geneigte Ebene typischen Kräfte Hangabtriebskraft und Normalkraft,
als auch auf die allgemeine Vorgehensweise ein.
11. Erläutern Sie das Zustandekommen von
Reibungskräften und die Reibungsarten. Gehen Sie auf die Berechnung der
Reibungskräfte und der Reibungsarbeit ein, insbesondere auch auf den Fall, dass
die Unterlage nicht waagerecht liegt.
12. Begründen Sie, warum der Energieansatz zum
Lösen physikalischer Aufgaben in vielen Fällen Vorteile gegenüber anderen
Ansätzen (z.B. einem Kraftansatz) hat.
13. Wodurch unterscheiden sich Fliehkraft (=
Zentrifugalkraft) und Radialkraft inhaltlich voneinander? Wie berechnet man
sie? Welche der Kräfte hat eine Gegenkraft und wo ist diese zu finden?
14. Erläutern Sie den Zweck einer sogenannten
Kurvenüberhöhung. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der man bei gegebenem Kurvenradius
und Fahrzeuggeschwindigkeit den notwendigen Neigungswinkel berechnen kann.
1.3 Impuls und Stoß
1. Definieren Sie die Größen Impuls und Kraftstoß.
Welcher Zusammenhang existiert zwischen beiden Größen?
2. Formulieren Sie den Impulserhaltungssatz. Geben
Sie Beispiele aus dem täglichen Leben an, wo man das Wirken des
Impulserhaltungssatzes erkennen kann.
3. Wie groß ist der Gesamtimpuls einer ruhenden
Gasmenge? Was kann über die Einzelimpulse der Gasteilchen in diesem Fall
ausgesagt werden?
4. Erläutern Sie, dass der Rückstoß eines Gewehrs
auf den Impulserhaltungssatz zurückzuführen ist.
5. Erläutern Sie die Funktionsweise eines
Raketenantrieb aus der Sicht des Impulerhaltungssatzes. Leiten Sie eine Gleichung
zur Berechnung der Schubkraft eines Raketentriebwerks her.
6. Welche Arten von Stößen kennen Sie? Woran kann
man diese Arten unterscheiden?
7. Sprechen Sie über die Gültigkeit des Impuls-
und des Energieerhaltungssatzes beim elastischen und beim unelastischen Stoß.
Hinweis: Energiesatz der Mechanik und allgemeinen Energiesatz unterscheiden.
8. Erklären Sie, warum sich beim
Perkussionsapparat (Kugelsoßapparat)
immer genau so viele Kugeln wegbewegen, wie ankommen.
9. Was ist ein "Ballistisches Pendel"?
Erläutern Sie die Vorgänge am ballistischen Pendel aus energetischer Sicht und
aus Sicht des Impulssatzes.
1.4 Deterministisches Chaos
1. Was bedeutet der Begriff
"deterministisches Chaos"?
2. Was ist Kausalität? Wodurch unterscheiden sich
schwache und starke Kausalität?
3. Was versteht man in der klassischen Physik
unter "Determinismus" und "Objektivierbarkeit"?
4. Was ist der "Laplacesche Dämon"?
Formulieren Sie Argumente für und wider die Existenzmöglichkeit eines solchen
"Dämons".
5. Unter welchen Bedingungen kann ein System ins
Chaos geraten.
6. Nenne Sie Beispiele für chaotische Systeme.
1.5 Gravitation
1. Definieren Sie den Begriff „Gravitationsfeld”
unter Verwendung des allgemeinen Feldbegriffs.
2. Sprechen Sie über die Feldlinien des
Gravitationsfeldes.
3. Stellen Sie die Feldlinienmodelle des
Gravitationsfeldes, des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes gegenüber.
Arbeiten Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede heraus.
4. Definieren Sie die Gravitationsfeldstärke.
Unter welchem anderen Namen kennen Sie die Gravitationsfeldstärke bereits aus
dem Unterricht früherer Klassen?
5. Formulieren und erläutern Sie die Keplerschen
Gesetze. Worin liegt ihre historische Bedeutung?
6. Formulieren Sie das Gravitationsgesetz. Was
bedeuten die darin vorkommenden Größen?
7. Erläutern Sie eine Methode zur Bestimmung der
Gravitationskonstante g (empfohlen: Drehwaage nach Cavendish).
8. Erläutern Sie, wie man mithilfe des
Gravitationsgesetzes die Masse von Zentralkörpern (Beispielsweise der Sonne)
berechnen kann. Leiten Sie die dazu notwendige Gleichung her.
9. Zeigen Sie, dass die Umlaufzeit eines
Satelliten auf einer Kreisbahn bei gegebener Höhe unabhängig von seiner Masse
ist. Leiten Sie dazu eine geeignete Gleichung her. Geben Sie ein plausibles
Beispiel an, dass zeigt, dass diese Massenunabhängigkeit tatsächlich existiert.
10. Erläutern Sie, warum die Arbeit zum Verschieben
einer Punktmasse im Gravitationsfeld nicht vom Weg abhängt, auf dem die
Punktmasse zum Zielpunkt verschoben wird.
11. Leiten Sie die allgemeingültige Gleichung zur
Berechnung der Verschiebungsarbeit einer Punktmasse im Gravitationsfeld unter
Verwendung des Gravitationsgesetzes her.
12. Zeigen Sie, dass in der allgemeingültigen
Beziehung zur Berechnung der Hubarbeit im Gravitationsfeld die Gleichung W =
m·g·h als Spezialfall für kleine Höhen h enthalten ist.
13. Diskutieren Sie die verschiedenen Flugbahnen,
die ein Satellit auf seiner Umlaufbahn haben kann, wenn man die
Bahngeschwindigkeit variiert. Wie nennt man die Mindestgeschwindigkeit, die ein
Satellit haben muss, damit er nicht herunterfällt?
14. Was versteht man unter den drei „kosmischen
Geschwindigkeiten”? Leiten Sie die Beziehungen zur Berechnung der ersten und
der zweiten kosmischen Geschwindigkeit her.
15. Skizzieren und erläutern Sie den Verlauf der
potentiellen Energie eines Körpers im Gravitationsfeld des Systems Erde-Mond.
16. Nennen Sie die Ziolkowski-Gleichung. Was sagt
sie aus?
Ergänzungsfragen - nicht mehr in den Rahmenrichtlinien
Z1. Was versteht man unter Gravitationspotential?
Geben Sie die Definitionsgleichung und die Gleichung für das Potential eines
Radialfeldes an.
Z2. Wohin legt man den Nullpunkt des Potentials
eines Radialfeldes sinnvollerweise, um die Gleichung möglichst zu vereinfachen?
Welche Konsequenz hat das für den numerischen Wert aller Potentiale?
Z3. Skizzieren und erläutern Sie den Verlauf des
Gravitations-Potentials des Systems Erde-Mond.
Additum I - Kinematik und Dynamik des starren Körpers
I.1 Kinematik der Rotation
1. Charakterisieren Sie eine krummlinige Bewegung
als beschleunigte Bewegung. Gehen Sie dabei auf Radial- und
Tangentialbeschleunigung und ihre Wirkungen ein und erläutern Sie, dass auch
eine gleichförmige Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist.
2. Definieren Sie den Begriff „Starrer Körper”.
Erläutern Sie, wann dem Einsatz des Modells Starrer Körper der Vorzug gegenüber
dem Modell Massepunkt zu geben ist.
3. Nennen und erläutern Sie die Kenngrößen einer
Kreisbewegung. Gehen Sie dabei auch auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede der
Größen Frequenz, Drehzahl und Umlaufzeit ein.
4. Welche Gesetze gelten für die Bahngrößen bei
einer gleichmäßig beschleunigten Kreisbewegung? Wie ordnet sich eine
gleichförmige Kreisbewegung hier ein?
5. Wodurch unterscheiden sich Fliehkraft (=
Zentrifugalkraft) und Radialkraft inhaltlich voneinander? Wie berechnet man
sie? Welche der Kräfte hat eine Gegenkraft und wo ist diese zu finden?
6. Erläutern Sie den Zweck einer sogenannten
Kurvenüberhöhung. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der man bei gegebenem
Kurvenradius und Fahrzeuggeschwindigkeit den notwendigen Neigungswinkel
berechnen kann.
7. Definieren Sie die Größen Winkelgeschwindigkeit
und Winkelbeschleunigung mithilfe der Differentialrechnung. Welchen Vorteil
bringt die Verwendung dieser Größen gegenüber der Verwendung der Bahngrößen?
8. Geben Sie das a-t-, das w-t- und das j-t-Gesetz der gleichmäßig
beschleunigten Drehbewegung an. Welcher Zusammenhang besteht zwischen w und f bzw. zwischen w und T?
9. Leiten Sie die Zusammenhänge zwischen den
Winkelgrößen j, w und a und ihren entsprechenden Bahngrößen
sB, vB und aB bei bekanntem Bahnradius her.
10. Wie liegen die Vektoren von
Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und Drehwinkel im Raum?
I.2 Dynamik der Rotation
1. Definieren Sie die physikalische Größe
„Drehmoment”. Welche Besonderheit ist bei der Einheit dieser Größe zu beachten?
2. Warum ist ein Drehmoment nur mit gleichzeitiger
Angabe des Drehpunktes sinnvoll? Kann man bei gegebenem Drehmoment und
Drehpunkt Rückschlüsse auf die Richtung und den Betrag der angreifenden Kraft
ziehen? Begründen Sie!
3. Formulieren Sie eine allgemeine Gleichgewichtsbedingung
für Körper.
4. Definieren Sie die Größe „Trägheitsmoment”
mithilfe der Integralrechnung. Welche Größen haben Einfluß auf das
Trägheitsmoment eines gegebenen Körpers?
5. Nennen und interpretieren Sie das Grundgesetz
der Drehbewegung.
6. Erläutern Sie, warum eine Kugel und ein
Zylinder gleicher Masse und gleichen Durchmessers beim Hinabrollen von einer
geneigten Ebene unterschiedlich schnell sind.
7. Formulieren Sie den Energiesatz der Mechanik
für einen rollenden Körper verbal und als Gleichung. Welcher Zusammenhang
besteht zwischen seiner Winkelgeschwindigkeit und der translatorischen
Geschwindigkeit seines Schwerpunktes. Begründen Sie diesen Zusammenhang.
8. Definieren Sie die Größe „Drehimpuls”.
9. Warum bezeichnet man den Drehimpuls als
„axialen Vektor”?
10. Formulieren Sie den Drehimpulserhaltungssatz.
In welchen Fällen ist er gültig?
11. Erklären Sie die Pirouette einer
Eiskunstläuferin mithilfe der Drehimpulserhaltung. Nennen Sie weitere Beispiele
aus dem täglichen Leben oder aus der Technik, bei denen die Drehimpulserhaltung
zur Erklärung herangezogen werden muss oder bewußt ausgenutzt wird.
12. Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem an
einen Körper angreifenden Drehmoment und der daraus resultierenden Veränderung
seines Drehimpulses? Leiten Sie diesen Zusammenhang her.
13. Stellen Sie die Größen der Translation und die
der Rotation in einer Analogietabelle gegenüber. Nehmen Sie in diese Tabelle
auch die Gleichungen auf, in denen analoge Größen vorkommen und deren Bedeutung
einander analog ist.