Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 200/02 Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik - ERSTTERMIN - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 270 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 25 BE, im Teil B 20 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 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite von 7

2 Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre Ein Körper der Masse 0,0 kg gleitet entsprechend der Abbildung zunächst auf einer geneigten Rampe hinab. Er passiert die Höhe h A = 5,0 m mit der Geschwindigkeit v A =,0 m s und trifft nach dem Verlassen der Rampe auf einem parabelförmigen Hang auf. Die Reibung wird vernachlässigt. Der Winkel β kann verändert werden. Die Höhe h A und die Geschwindigkeit v A bleiben konstant. A y in m h A Rampe β - - B x in m y = x 2 2,0 m 0 m. Berechnen Sie die Abwurfgeschwindigkeit im Punkt B(0;0)..2 Ermitteln Sie die Koordinaten des Auftreffortes P (xp;yp) für β = 45 und berechnen Sie die Auftreffgeschwindigkeit des Körpers in P. (Hinweis: Beachten Sie, dass der Abwurfwinkel α = 45 beträgt.) Erreichbare BE-Anzahl: 4.3 Der Winkel β wird nun zwischen 30 und 60 variiert. Zeichnen Sie den Graph der Funktion x P ( β ) nach Ermittlung von mindestens vier weiteren Wertepaaren. Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 2 von 7

3 .4 Der Gleitkörper wird durch eine Kugel ersetzt. Beim Rollen der Kugel wird keine mechanische Energie in thermische Energie umgewandelt. Vergleichen Sie die Abwurfgeschwindigkeit der Kugel qualitativ mit der des gleitenden Körpers. Begründen Sie. 2 Skizzieren Sie das Feldlinienbild zwischen einer negativ geladenen Platte und einer positiv geladenen Kugel (s. Abbildung). Q - Q + Zwischen Platte und Kugel wird nun ein zunächst ruhender negativ geladener Probekörper freigegeben. Die Gewichtskraft des Probekörpers ist gegenüber der Feldkraft vernachlässigbar klein. Beschreiben Sie die Bahnkurve des Probekörpers. Geben Sie die Bewegungsart an und begründen Sie. Erreichbare BE-Anzahl: 5 3 Im Jahr 909 gelang dem Amerikaner Robert A. Millikan durch die Messung der Ladung von Öltröpfchen erstmals die Bestimmung der Elementarladung. 3. Beschreiben Sie Aufbau, Durchführung und Auswertung dieses oder eines ähnlichen Experimentes. Erreichbare BE-Anzahl: In einem Millikankondensator mit dem Plattenabstand 5,0 mm wird ein schwebendes Öltröpfchen mit dem Radius 9,0 0 mm beobachtet. Die Dichte des 4 3 Öls beträgt 0,90 g cm. Berechnen Sie die am Kondensator anliegende Spannung für den Fall, dass die Ladung des Öltröpfchens 5 e beträgt. Erreichbare BE-Anzahl: 4 Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 3 von 7

4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Quantenoptik / Thermodynamik In einer Vakuumfotozelle werden aus der Cäsiumschicht der Kathode durch Bestrahlung mit Licht Elektronen herausgelöst.. Erläutern Sie die dabei auftretende Energieumwandlung bezüglich der Wechselwirkung von Photonen und Elektronen. Entscheiden Sie, ob die Intensität des Lichts die Anzahl der herausgelösten Elektronen beeinflusst. Begründen Sie..2 Mit Licht einer Wasserstoffspektrallampe wurde die Abhängigkeit der maximalen kinetischen Energie der Elektronen von der Wellenlänge bestimmt. λ in nm E in ev 0,6 0,92,09,9 kin.2. Ermitteln Sie unter Verwendung aller Messwerte das Planck sche Wirkungsquantum und geben Sie die Ablösearbeit an..2.2 Erläutern Sie eine experimentelle Möglichkeit, die maximale kinetische Energie der Fotoelektronen zu bestimmen..2.3 Untersuchen Sie, ob das Licht der in der Tabelle gegebenen Wellenlängen aus einer Platinkathode Fotoelektronen herauslösen kann. (Ablösearbeit für Platin: 5,36 ev) Für.2 erreichbare BE-Anzahl: 7.3 Eine Messung erfordert mindestens die Lichtleistung 5,0 0 W. Berechnen Sie die dazu notwendige Anzahl Photonen des Lichts der Wellenlänge 486 nm, die in einer Sekunde auf die Kathode auftreffen müssen x x In einem Zylinder mit der Querschnittfläche 2 30,0 cm befindet sich ein Kolben am Ort x = 6,7 cm. Im Zylinder befindet sich Helium. 5 Der Druck im Zylinder beträgt,0 0 Pa und die Temperatur 0,0 C. Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 4 von 7

5 2. Berechnen Sie die Masse des im Zylinder befindlichen Heliums. J (spezifische Gaskonstante für Helium: 2077 ) kg K 2.2 Bei arretiertem Kolben wird die Temperatur durch eine Heizwendel auf 773 C erhöht. Geben Sie den Druck im Innern des Zylinders nach der Temperaturerhöhung an. Erreichbare BE-Anzahl: 2.3 Der Kolben wird nun freigegeben. Durch die Heizwendel wird keine Wärme mehr zugeführt. Während der Expansion wurden folgende Messwerte aufgenommen: x in cm 7,3 8,0 8,7 9,3 0,0 0,7,3,6 p in kpa Ermitteln Sie den Betrag der verrichteten Volumenarbeit für die Bewegung des Kolbens vom Ort 6,7 cm bis zum Ort,6 cm. 3 Die Abbildung zeigt das Funktionsprinzip eines Überdruckventils. Behälter Ausströmkanal 0 x A x Die Querschnittfläche des Kolbens beträgt 5,0 cm 2. Der Druck im Behälter und der Umgebungsdruck 5 betragen zunächst,0 0 Pa. Die dem Hooke'schen Gesetz genügende Feder ist entspannt und der Kolben befindet sich am Ort 0. Die Federkonstante beträgt 7,0 kn m. Das Überdruckventil begrenzt den Druck im Behälter auf das Fünffache des Umgebungsdrucks. Ermitteln Sie den Ort x A des Ausströmkanals. Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 5 von 7

6 Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C : Mechanik Untersuchen Sie die Energieumwandlungen, die beim zentralen geraden Stoß zwischen den Körpern von zwei bifilar aufgehängten Fadenpendeln stattfinden. Der Stoß erfolgt weitgehend unelastisch (ein geringes Abprallen während des Stoßvorganges ist unerheblich, die Pendelkörper sollten sich jedoch kurz nach dem Stoß mit gemeinsamer Geschwindigkeit bewegen). Die Experimentieranordnung wird Ihnen vollständig aufgebaut übergeben. Bestimmen Sie die Massen der Pendelkörper und die Länge der Fadenpendel. Erreichbare BE-Anzahl: 2 Lenken Sie den rechten Pendelkörper 5 cm in horizontaler Richtung nach rechts aus und geben Sie ihn frei. Messen Sie die Amplitude der Schwingung beider Pendelkörper nach dem Stoß. Wiederholen Sie das Experiment mehrmals und bilden Sie den Mittelwert der gemessenen Amplituden. Ersetzen Sie den rechten Pendelkörper nacheinander durch die zwei Pendelkörper anderer Masse und bestimmen Sie erneut jeweils den Mittelwert der Amplituden. (Hinweis: Damit der Stoß möglichst zentral erfolgt, kann ein Nachkorrigieren der Pendellänge des stoßenden Körpers erforderlich sein.) Erreichbare BE-Anzahl: 4 3 Berechnen Sie die Geschwindigkeit, die der rechte Pendelkörper unmittelbar vor dem Stoß besaß. 4 Berechnen Sie jeweils aus den Mittelwerten der unter 2 gemessenen Amplituden die Geschwindigkeit, die beide Pendelkörper unmittelbar nach dem Stoß besaßen sowie den Prozentsatz p % an mechanischer Energie, der während des Stoßvorganges in thermische Energie umgewandelt wurde. Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte sowie der Ergebnisse). Stellen Sie den Prozentsatz in Abhängigkeit von der Masse des rechten Pendelkörpers grafisch dar. Erreichbare BE-Anzahl: 6 5 Ein Körper der Masse m stößt mit der Geschwindigkeit v einen zweiten ruhenden Körper der Masse m 2 zentral, gerade und vollkommen unelastisch. Zeigen Sie, dass für den Zusammenhang zwischen dem Prozentsatz p % der mechanischen Energie, die beim Stoß in thermische Energie umgewandelt m wird, und der Masse m gilt: p( m ) = 00 ( ). m + m 2 Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 6 von 7

7 Aufgabe C 2: Wellenoptik Bestimmen Sie die Gitterkonstante eines optischen Gitters. Planen Sie die Experimente gemäß der folgenden Aufgabenstellungen und fordern Sie bei Ihrem Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. Erläutern Sie die Entstehung der Interferenzstreifen. Ordnung an einem Doppelspalt. Leiten Sie eine Gleichung her, mit der aus dem Abstand zwischen dem lnterferenzstreifen 0. Ordnung und einem Interferenzstreifen. Ordnung der Spaltabstand des Doppelspalts berechnet werden kann. Erreichbare BE-Anzahl: 5 2 Bestimmen Sie mit zwei vorgegebenen experimentellen Methoden die Gitterkonstante b des gegebenen optischen Gitters. 2. Methode : Auf einem Schirm sollen mit Hilfe des gegebenen Gitters Interferenzstreifen abgebildet werden. Fertigen Sie eine Skizze des Versuchsaufbaus an. Bauen Sie die Versuchsanordnung auf, bilden Sie die Interferenzstreifen ab und messen Sie die erforderlichen Größen. Die mittlere Wellenlänge des vom verwendeten Farbfilter durchgelassenen Lichtanteils wird Ihnen vom Lehrer mitgeteilt. Berechnen Sie die Gitterkonstante b. Erreichbare BE-Anzahl: Methode 2: Stellen Sie unmittelbar vor eine Experimentierleuchte (ohne Leuchtspalt) den bei 2. verwendeten Farbfilter sowie die gegebene Blende mit zwei kleinen kreisförmigen Öffnungen. Betrachten Sie die Blende aus einer Entfernung von etwa 30 cm durch das optische Gitter, das Sie dicht vor ein Auge halten. Stellen Sie nun den Abstand zwischen Gitter und Blende so ein, dass das rechte Maximum. Ordnung der linken Öffnung unter oder über dem linken Maximum. Ordnung der rechten Öffnung liegt. Messen Sie den Abstand e zwischen Gitter und Blende sowie den horizontalen Abstand a zwischen den Öffnungen der Blende (siehe Abbildung). 2e Mit der Gleichung b = λ kann die Gitterkonstante b näherungsweise a berechnet werden. Berechnen Sie b. Abbildung: a Signatur 55/ (Phys-LK-ET/Ma) Seite 7 von 7