Zentrale schriftliche Abiturprüfung Physik. Grundkurs

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1 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 010 Physik Aufgabenstellung A für Prüflinge Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Elektromagnetische Induktion Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung 3 Zeitstunden Seite 1 von 4 Physik 10_Ph_GK_A1.docx

2 Aufgaben 1 nter Nutzung der elektromagnetischen Induktion lassen sich Fehler in der Wand einer Pipeline feststellen. In Abbildung ist das Prinzip für ein mögliches Prüfverfahren dargestellt. Für das Verständnis dieses Verfahrens sollen zunächst einige Vorüberlegungen mit der Anordnung in Abbildung 1 angestellt werden. S A V Feldspule Induktionsspule Abbildung 1 Im Inneren einer Feldspule mit den Größen Windungszahl N F = 1 000, mittlerer Radius r F = 3,9 cm und Länge l F = 0,5 m befindet sich eine luftgefüllte Induktionsspule (μ r = 1) mit einer Windungszahl N ind = 300 und der Querschnittsfläche A ind = 8 cm. Die beiden Spulenachsen liegen parallel zueinander. 1.1 Der Schalter S wird geschlossen. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Induktionsspule. Skizzieren und begründen Sie den zeitlichen Verlauf der Stromstärke an der Feldspule. 1. Beschreiben Sie drei Möglichkeiten, die in der Anordnung in Abbildung 1 bei geschlossenem Schalter S zu einer Induktionsspannung führen und begründen Sie eine Antwort ausführlich. Erläutern Sie dabei auch, durch welche Maßnahme sich die Induktionsspannung noch steigern ließe. 6 BE 5 BE 1.3 Die Feldspule wird von einem Strom durchflossen, dessen zeitlicher Verlauf der Abbildung 3 des Anhangs entnommen werden kann. Ergänzen Sie die Tabelle im Anhang. 18 BE Zeichnen Sie das ind (t) Diagramm im Bereich von 0 s t 14 s. Berechnen Sie die dafür erforderlichen Werte. Seite von 4 Physik 10_Ph_GK_A1.docx

3 1.4 Zeigen Sie, dass bei gleichmäßiger Abnahme der magnetischen Flussdichte von B auf Null in der Feldspule die zugehörige Energieänderung mit der Gleichung E k r B ermittelt werden kann. Dabei ist k eine Konstante. F F Berechnen Sie die Energieänderung im Magnetfeld der Feldspule, wenn die magnetische Flussdichte gleichmäßig von 10 mt auf den Wert 0 abnimmt. 7 BE 1.5 Bei der weiteren ntersuchung der Anordnung in Abbildung 1 wurde auch mit verschiedenen Materialien in der Induktionsspule experimentiert. Dabei wurde festgestellt, dass Spulenkerne aus Eisen, Aluminium und Kupfer einen wesentlichen Einfluss auf die Induktionsspannung haben. Weiterhin wurde festgestellt, dass an vollständig ausgefüllten Spulen eine höhere Induktionsspannung gemessen wurde, als an teilweise gefüllten Spulen. Auf der Basis dieser ntersuchungen wurden Prüfverfahren für Fehler in Pipelines gemäß Abbildung entwickelt. 4 BE ME Entwickeln Sie eine Idee für das dargestellte Prüfverfahren. Gehen Sie insbesondere auf den Aufbau der Messeinrichtung ME ein. Abbildung Seite 3 von 4 Physik 10_Ph_GK_A1.docx

4 I in ma Name des Prüflings: Anhang Zeitintervall a Aussage zu ind durch Setzen des Relationszeichens <, >, = ind/a Begründung b ind/b c ind/c d ind/d e ind/e ind/b ind/e a b d c e t in s Abbildung 3 Seite 4 von 4 Physik 10_Ph_GK_A1.docx

5 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 010 Physik Aufgabenstellung B für Prüflinge Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Gravitation und Gesetze der Raumfahrt Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Material Phobos Grunt ist eine Mission des russischen Raumforschungsinstituts IKI. Es soll in den Jahren 010 bis 013 den Marsmond Phobos erforschen und ein Raumschiff auf ihm absetzen. Dieses soll Bodenproben von der Oberfläche des Marsmondes entnehmen und mit einem Rückkehrschiff diese Proben zurück zur Erde transportieren. Phobos Grunt soll nach dem Start (Oktober 009) im Juli oder August 010 eine mlaufbahn um den Mars erreichen. Das Raumschiff wird den Mars neun Monate umkreisen und dabei seine Bahn mit der des Mondes Phobos synchronisieren, um schließlich auf ihm zu landen. Phobos Grunt führt ein Analysenlabor mit sowie diverse Bohrer, Schaufeln und andere Instrumente, um sowohl Bodenproben nehmen, als auch diese direkt an Bord analysieren zu können. Dabei ist das Problem die geringe Schwerkraft auf der Oberfläche des Marsmondes, der einen mittleren Durchmesser von 3 km besitzt. Das Raumschiff besitzt nach seiner Landung nur etwa eine Masse von 0,5 kg. Bei sämtlichen Bohrungen und Schaufelbewegungen muss darauf geachtet werden, nicht gleich wieder abzuheben. Daher kann der Bohrer nur einige Zentimeter in den Phobosboden bohren und die Schaufeln können bei den Bewegungen nur geringen Druck ausüben. Ein Instrumentenarm kann Felsbrocken bis zu etwa 1 cm Durchmesser aufheben und in das Analysenlabor befördern. Dieses verdampft die Proben und misst deren Zusammensetzung durch spektrale Analyse des entstehenden Gases. Phobos Grunt führt huckepack ein kleines Rückkehrraumschiff mit, das für die Rückkehr zur Erde nur etwa 30 km h -1 schnell sein muss, um die Schwerkraft von Phobos überwinden zu können. m bei dessen Start den Lander nicht zu gefährden, der weiter auf Phobos aktiv bleibt, wird das Rückkehrschiff mit einem Federmechanismus zunächst ohne Triebwerksaktivitäten vom Boden des Mondes Phobos hoch katapultiert. In weiterer Entfernung über der Oberfläche wird sein Triebwerk gestartet, um zurück zur Erde zu gelangen. Seite 1 von 3 Physik 10_Ph_GK_B1.docx

6 Aufgaben Zur Vorbereitung der Reise von Menschen zum Mars und zur ntersuchung dieses Planeten wurden bereits einige Sonden gestartet. So umkreisen zurzeit auch die Raumsonden Phobos und Odyssey den Mars..1 Der Planet Mars soll als Zentralgestirn angesehen werden, um den sich die in der Tabelle gegebenen Monde und Satelliten auf Kreisbahnen bewegen: Satellit mittlere Entfernung r zum Marsmittelpunkt in 10 3 km Raumsonde Raumsonde Marsmond Marsmond Mars Odyssey Phobos Phobos Deimos 3,8 4, 9,4 3,5 mlaufzeit T in d 0,095 0,319 1,6 Bahngeschwindigkeit 1 v in km s 3,,14 1, Erläutern Sie, unter welcher Bedingung sich ein Satellit auf einer Kreisbahn um ein Zentralgestirn bewegt..1. Leiten Sie das empirisch gefundene dritte keplersche Gesetz aus einem Kraftansatz her. 3 BE 1 BE Weisen Sie die Gültigkeit des dritten keplerschen Gesetzes für die Bewegung des Satelliten Phobos und der Monde Phobos und Deimos um den Planeten Mars nach. Vervollständigen Sie die in.1 gegebene Tabelle. weiter auf der nächsten Seite Seite von 3 Physik 10_Ph_GK_B1.docx

7 .1.3 Zeigen Sie mittels grafischer Darstellung für die Objekte in der Tabelle, das die 1 Gleichung v(r) k gilt, wobei k eine Konstante ist. r 9 BE Weisen Sie allgemein mit Hilfe des dritten keplerschen Gesetzes die Gültigkeit der 1 gegebenen Beziehung v(r) k r nach.. Im Material ist die Landung eines Raumschiffes auf dem Marsmond Phobos beschrieben. Dabei soll der Mond vereinfachend als kugelförmig angesehen 16 werden. Phobos hat die Masse m 1,08 10 kg. Ρh..1 Skizzieren Sie das Gravitationsfeld des Marsmondes Phobos mithilfe des Feldlinienmodells. 8 BE Beschreiben Sie, wie sich die Abhängigkeit F G (r) zwischen Phobos und dem Raumschiff in der Skizze widerspiegelt. Ermitteln Sie die maximale Kraft, welche die Schaufeln von Phobos Grunt auf den Mondboden ausüben können... Berechnen Sie mit Hilfe des Materials die Masse m Ρh des Marsmondes Phobos. Begründen Sie die Verwendung Ihres physikalischen Ansatzes. 8 BE Vergleichen Sie die von Ihnen berechnete Masse des Marsmondes Phobos mit dem gegebenen Wert und diskutieren Sie rsachen für etwaige Abweichungen. Seite 3 von 3 Physik 10_Ph_GK_B1.docx

8 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 010 Physik Aufgabenstellung C für Prüflinge Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Elektronen im elektrischen und magnetischen Feld Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Material Kondensator 1 Kondensator (1) Schirm Elektronenquelle d l M () y 1 = variabel x Seite 1 von Physik 10_Ph_GK_C1.docx

9 Aufgaben 3 Elektronen treten mit vernachlässigbarer Anfangsgeschwindigkeit aus einer Elektronenquelle in die im Material gegebene Versuchsanordnung senkrecht zu den Platten des Kondensators 1 ein. Berücksichtigt man den Kondensator zunächst nicht, würden die Elektronen auf die Mitte M des Schirms treffen. Der Kondensators ( d 6,0cm, 10,0cm ) wird mit einer Spannung in Betrieb genommen, so dass der feine Elektronenstrahl nach oben abgelenkt und am Ende der Anordnung auf den Schirm trifft. Gravitationswirkungen sind zu vernachlässigen. 3.1 Treffen Sie begründete Aussagen in Tabellenform über die Bewegungsart und die Bahnform der Elektronen in den einzelnen Abschnitten der Versuchsanordnung. 9 BE 3. Mit der Versuchsanordnung wurden die folgenden Messreihen aufgenommen: Nr. der Messung y in mm in V v in10 m s 38,3,1 7,1,1,1 17,1,1 x 3..1 Geben Sie begründet die Art und Polarität der Spannung an den Anschlüssen (1) und () des Kondensators an. 3.. Zeigen Sie grafisch in zwei getrennten Diagrammen, dass aus den Messreihen 1 sowohl y als auch y zu schlussfolgern ist. vx Weisen Sie nach, dass für die Proportionalität y der Proportionalitätsfaktor k v 1 e mit k bestimmt ist. me d Ermitteln Sie die Größe des Proportionalitätsfaktors k. x 3 BE 15 BE 3.3 Am Kondensator wird eine Spannung von 1,8 kv eingestellt. Dem elektrischen Feld wird ein magnetisches Feld so überlagert, dass der Elektronenstrahl unabgelenkt auf die Mitte des Schirmes trifft. Die Spannung am Kondensator 1 beträgt 1 = Bestimmen Sie den Betrag und die Richtung der magnetischen Flussdichte B. 9 BE 3.3. Beurteilen Sie, wie sich eine geringfügige Änderung der kinetischen Energie der Elektronen auf die Richtung des Elektronenstrahls auswirken würde. 4 BE Seite von Physik 10_Ph_GK_C1.docx