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.