Schriftliche Abiturprüfung Grundkursfach Physik

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 007/08 Geltungsbereich: - allgemeinbildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Grundkursfach Physik - E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 0 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 5 BE, im Teil B 0 BE, im Teil C 5 BE. Erlaubte Hilfsmittel: - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra- System - Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele - Zeichengeräte Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite von 8

2 Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre Waagerechter Wurf In einer Metallbaufirma werden Bauteile innerhalb der Produktionslinien auf unterschiedliche Art und Weise bewegt. Ein Bauteil wird auf einem horizontalen Förderband bis zum Ort A( 0; h ) transportiert und dort zum Zeitpunkt B( x max ; 0) Reibungseffekte werden vernachlässigt. t waagerecht abgeworfen. Es trifft am Ort auf dem Boden eines Behälters auf. x in m 0 0,0 0,40 0,60 0,80 x max y in m h 0,4 0, 0,6 0,09 0. Ermitteln Sie eine Gleichung der Funktion y(x), welche die Wurfbahn des Bauteils beschreibt. (Auf die Angabe von Einheiten darf verzichtet werden.). Geben Sie die Abwurfhöhe h und die Wurfweite xmax an. Ermitteln Sie die Abwurfgeschwindigkeit..3 Ein zweites Bauteil wird zum Zeitpunkt senkrecht über dem Ort B frei fallen gelassen, so dass beide Bauteile gleichzeitig auf dem Boden des Behälters auftreffen. t.3. Geben Sie die notwendige Fallhöhe h an. Begründen Sie..3. Vergleichen Sie die Beträge der Auftreffgeschwindigkeiten beider Bauteile. Begründen Sie. Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite von 8

3 Zeitlich konstantes elektrisches Feld. Skizzieren Sie das Feldlinienbild für die Umgebung eines einzelnen Protons. Nennen Sie zwei Eigenschaften dieses elektrischen Felds. Kennzeichnen Sie in Ihrer Skizze zwei verschiedene Orte A und B, an denen die elektrische Feldstärke betragsgleich ist. Tragen Sie für beide Orte jeweils den Vektor der elektrischen Feldstärke ein.. Nach dem Bohr schen Atommodell kann im Wasserstoffatom ein Elektron ein Proton auf bestimmten Kreisbahnen umlaufen. Die Radien dieser Bahnen lassen sich mit der Gleichung r n ( n N; n ) r = n 5,9 0 m berechnen. n F rel = Berechnen Sie den Betrag der Coulombkraft, die auf ein Elektron wirkt, das mit dem Radius r um das Proton kreist ( ε ). Der Betrag der Coulombkraft Fn hängt vom jeweiligen Abstand rn zum Proton ab. Ermitteln Sie das Verhältnis F zu F. ( ist der Betrag der dem Radius r entsprechenden Coulombkraft.) F 3 Zeitlich konstantes magnetisches Feld 3. Skizzieren Sie das Feldlinienbild für die Umgebung eines hufeisenförmigen Dauermagneten. Kennzeichnen Sie die magnetischen Pole. 3. Zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Innenflächen eines hufeisenförmigen Dauermagneten besteht ein homogenes Magnetfeld der magnetischen Flussdichte B. Der Betrag der magnetischen Flussdichte soll experimentell, unter Nutzung eines stromdurchflossenen geraden Leiterstücks, bestimmt werden. Erläutern Sie eine Möglichkeit (Experimentieranordnung, Messgrößen, Auswertung). Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 3 von 8

4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Wellenoptik / Thermodynamik 5 Unter Nutzung eines optischen Gitters der Gitterkonstante 8,00 0 m soll in einem Experiment ein Interferenzbild des Lichts einer Glühlampe erzeugt und ausgemessen werden.. Beschreiben Sie eine mögliche Experimentieranordnung und erklären Sie deren Funktionsprinzip.. Begründen Sie, dass das helle Maximum 0. Ordnung weiß erscheint und die hellen Maxima ab. Ordnung farbig sind..3 Beträgt der Abstand zwischen Gitter und Schirm 65,0 cm, so liegen die beiden roten Bereiche. Ordnung,5 mm voneinander entfernt. Berechnen Sie die Wellenlänge dieses roten Lichtanteils. Das Verhalten von Gasen kann mit dem Modell Ideales Gas beschrieben werden.. Nennen Sie zwei Annahmen dieses Modells. Erreichbare BE-Anzahl:. In einer Wärmekraftmaschine wird Helium als Arbeitsgas genutzt. Es befindet sich zunächst im Zustand A: 3 p =,0 MPa; V = 7,00 dm ; T 85 K. A A A = Das Gas durchläuft nacheinander folgende Zustandsänderungen: A B isochore Erwärmung auf den doppelten Druck, B C isotherme Expansion, Zustand B C p in MPa,0,93,7,54,40,8,8,0 V in dm³ 7,00 8,00 9,00 0,0,0,0 3,0 4,0 C A isobare Kompression. Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 4 von 8

5 .. Stellen Sie die drei Zustandsänderungen in ein und demselben p(v)-diagramm grafisch dar. Berechnen Sie die Masse des eingeschlossenen Gases und geben Sie die Temperatur an. spezifische Gaskonstante für Helium: T B R Helium = 077 J kg K Erreichbare BE-Anzahl: 5.. Bestätigen Sie unter Nutzung der Wertetabelle, dass die Zustandsänderung B C isotherm verläuft. Erreichbare BE-Anzahl:..3 Ermitteln Sie für die Zustandsänderung B C den Betrag der verrichteten Arbeit. Nennen Sie die andere Zustandsänderung, bei der mechanische Arbeit verrichtet wird. Diese Arbeit wird entweder am Gas oder vom Gas verrichtet. Entscheiden Sie. Hinweis: Der Inhalt der Fläche unter dem Graphen im p(v)-diagramm ist ein Maß für die verrichtete Arbeit. Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 5 von 8

6 Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C : Elektrizitätslehre Führen Sie unter Nutzung einer veränderbaren Wechselspannungsquelle Untersuchungen an einem Transformator durch. Planen Sie das Experiment gemäß der folgenden Aufgabenstellung. Fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an. Untersuchen Sie die Gültigkeit der Gleichung U N = an einem Transformator mit geschlossenem Eisenkern. U N. Messen Sie die Sekundärspannung für drei verschiedene Windungszahlen N. Stellen Sie die Abhängigkeit U ( N ) grafisch dar. Hinweise: - N bleibt konstant und ist beim Aufsicht führenden Lehrer zu erfragen. - Wählen Sie N N und halten Sie U = 0 V konstant. U Erreichbare BE-Anzahl: 5. Zeichnen Sie in dasselbe Koordinatensystem von Teilaufgabe. zusätzlich den Graphen U ( N ) U N ein, der sich theoretisch aus der Gleichung = ergibt. Beide Graphen verlaufen nicht identisch. Dies liegt nicht ausschließlich U N an Messfehlern. Nennen Sie eine weitere Ursache..3 Bauen Sie einen Transformator mit N = N auf und legen Sie die Spannung U = 0 V an. Schalten Sie im Sekundärstromkreis zusätzlich zum Spannungsmesser drei Ohm sche Bauelemente jeweils parallel zur Sekundärspule und messen Sie U. Entfernen Sie nacheinander je eines der Ohm schen Bauelemente, bis nur noch der Spannungsmesser parallel zur Sekundärspule geschaltet ist und messen Sie jeweils U. Formulieren Sie eine Je-desto-Aussage für den Zusammenhang zwischen dem Gesamtwiderstand und der Sekundärspannung U. Rges Hinweise: - U = 0 V ist während der Messungen konstant zu halten. - für die Parallelschaltung gilt: = + +. R R R R ges 3 Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 6 von 8

7 Eine weitere Möglichkeit U zu beeinflussen besteht darin, den I-Kern abzunehmen und die Eintauchtiefe des U-Kerns in den Spulen zu verändern. U-Kern Eintauchtiefe Spulen Bauen Sie einen Transformator auf, bei dem, wie in der Abbildung (Draufsicht) dargestellt, die Eintauchtiefe des U-Kerns verändert werden kann. Wählen Sie N = N und U = 0 V. Messen Sie U für vier verschiedene Eintauchtiefen. U Ermitteln Sie die Eintauchtiefe, bei der U = beträgt. 4 Aufgabe C : Mechanik Führen Sie Untersuchungen an einem Fadenpendel durch. Planen Sie das Experiment gemäß der folgenden Aufgabenstellung und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die notwendigen Geräte und Hilfsmittel an. Untersuchen Sie die Abhängigkeit der Periodendauer T eines Fadenpendels vom Auslenkwinkel α.. Ermitteln Sie fünf Messwertpaare (α,t). Beginnen Sie bei α = 5 und verändern Sie α in Schritten von 0. Zeichnen Sie den Graphen der Funktion T(α ). Erreichbare BE-Anzahl: 5. Messen Sie die Pendellänge und berechnen Sie mit der Gleichung T = π die Periodendauer. g Geben Sie an, bis zu welchem Auslenkwinkel α die prozentuale Abweichung der experimentell ermittelten Periodendauer von der berechneten Periodendauer weniger als 5% beträgt..3 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Erreichbare BE-Anzahl: Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 7 von 8

8 Untersuchen Sie den Einfluss einer Dämpfungsfläche auf die Schwingung eines Fadenpendels. Die vollständig aufgebaute Experimentieranordnung wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer übergeben. Experimentieranordnung: Dämpfungsfläche. Lassen Sie beide Pendelkörper nach gleicher Auslenkung gleichzeitig los. Prüfen Sie, ob beide Pendel ihre Umkehrpunkte stets gleichzeitig erreichen. Beobachten Sie dazu über mehrere Perioden. Vergleichen Sie die Periodendauer des Pendels mit Dämpfungsfläche mit der des Pendels ohne Dämpfungsfläche. Erreichbare BE-Anzahl:. Skizzieren Sie in einem gemeinsamen Diagramm die Graphen y(t) beider Schwingungen für je zwei Perioden. 3 Eine Pendeluhr zeigt die Zeit bei der Pendellänge 000,0 mm genau an. Die Pendellänge vergrößert sich durch Temperaturänderung um,0 mm. Geht die Uhr dadurch vor oder nach? Ermitteln Sie die Differenz, die sich nach 4 Stunden zwischen der genauen und der von der Uhr angezeigten Zeit ergibt. Signatur 56/ (Phys-GK-ET/Ma) Seite 8 von 8