Physik als Leistungskursfach

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1 Kultusnsteru des Landes Sachsen-Anhalt Abturprüfung 1993 Physk als Lestungskursfach Arbetszet: 300 Mnuten Thea I Bewegungen Thea II Therodynak Thea ITI Felder Thea IV Energe und Kräfteblanzen 19

2 Thea I Bewegungen Aufgabe 1 En Esenbahnwagen W, t ener Masse von 0 t bewegt sch t ener konstanten Anfangsgeschwndgket von 1,5 s"l auf enen Ablaufberg zu. De Abessungen des Ablaufberges snd der Skzze zu entnehen! B C D : _ J Sk::- ncnt..s.ab3_r-_h.! Der Wagen bewegt sch den Ablaufberg hnab und stößt auf enen stehenden Wagen W, der ene Masse von 5 t bestzt, wobe de Kupplung sofort enklnkt und bede Wagen anschleßend starr verbunden snd. Bede Wagen stoßen a Ende der Strecke auf enen Prellbock, wobe de beden Pufferfedern elastsch verfort werden. De Rebung blebe während des gesaten Vorganges für de Aufgabentele 1.1 bs 1.6 unberückschtgt. 1 1 Erläutern Se den gesaten Vorgang vo Punkt A bs nach Abschluß des Stoßprozesses t de Prelbock (Punkt D) t Hlfe der Ihnen bekannten Erhaltungssätze! 1.. Mt welcher Geschwndgket verläßt der Wagen W,: den Ablaufberg (Punkt B)? 1.3. Berechnen Se de Beschleungung des Wagens W^ auf de Ablaufberg! 1.4. Zechnen Se das v-t-dagra und das s-t-dagra für de Bewegung des Wagens W vo Punkt A nach Punkt B! Ertteln Se dazu ver Wertepaare! 1 5 Mt welcher Geschwndgket bewegt sch das Syste aus den beden Wagen W, ' und W unttelbar nach de Zusaenstoß weter? Leten Se de dafür notwendge Glechung her! 1.6. De Federkonstante beder Pufferfedern beträgt jeweüs 30 kn-c"». U welche Strecke werden bede Federn zusaengedrückt? 0

3 1.7. Während bsher de Rebung unberückschtgt bleb, werde nun für de gesate Strecke ene konstante Rebungszahl von 0,005 angenoen. En weterer Wagen W 3 rolle später unter desen neuen Bedngungen vo glechen Ablaufberg t der glechen Anfangsgeschwndgket auf en anderes geradlnges Gles ohne Prellbock. In welcher Entfernung von B kot der Wagen W 3 zu Stllstand? Aufgabe Das Plattenpaar (sehe Skzze) stellt en Ablenksyste für enen Elektronenstrahl dar, der den Punkt A t der Geschwndgket v 0 n x-rchtung errecht. + y> d» v 0 _. fl x d. 1- l.1. Erläutern Se den Bewegungsablauf des Elektrons Kondensator! Ab ener bestten Größe der anlegenden Spannung kann der Elektronenstrahl den Kondensator ncht ehr durchlaufen, weü er auf ene Platte auftrft und dadurch gelöscht wrd. Leten Se unter Nutzung gegebener Größen ene Glechung zur Berechnung deser Spannung her! 1

4 Thea II Therodynak Aufgabe 1 En Kresprozeß besteht aus den Dagra dargestellten Zustandsänderungen Charakterseren Se de enzelnen Zustandsänderungen des dargestellten Kresprozesses, und gehen Se dabe auf Zustands- und Prozeßgrößen der Therodynak en! 1.. Wenden Se den 1. Hauptsatz der Therodynak auf jede der dre Zustandsänderungen an! Aufgabe Ene abgeschlossene Gasenge st Anfangszustand durch folgende Größen gekennzechnet: V = 150 c 3 ; p! = 3 kpa; T!=47K. Be Strlngschen Kresprozeß werden von de Gas nachenander folgende Zustandsänderungen durchlaufen: - sochore Erwärung u 40 K - sothere Expanson auf 90 c 3 - sochore Abkühlung auf de Anfangsteperatur - sothere Kopresson auf den Anfangszustand.1. Ertteln Se Druck, Voluen und Teperatur nach jeder Zustandsänderung!.. Zechnen Se en p-v-dagra für desen Kresprozeß! Berechnen Se für jede sothere Zustandsänderung ndestens zwe wetere Wertepaare!.3. Entscheden Se, ob nach Abschluß des Kresprozesses das Syste nsgesat Arbet abgegeben oder aufgenoen hat! Begründen Se Ihre Antwort!.4. Besten Se dese Arbet!

5 Aufgabe 3 In ener Schelzanlage werden t Hlfe enes Petroleubrenners 33,5 kg Znn t ener Anfangsteperatur von 5 <>C gescholzen. Der Wrkungsgrad deser Anlage betrage 0% In dese Znnbad werden dre Kupferbleche (Abessungen: 400 x 00 x ) durch glechzetges vollständges Entauchen verznnt. = 8 > 93 kgd" 3 Hnwes: P Kup fer Ppetroleu = 0,85kgdnr 3 Hpetroleu = 4 MJ-kg" 1 «Kupfer =0-39 c Znn <ls(znn) = 0, = 59 U kg-k kj kg-k k kg [c werde über de gesate Teperaturänderung als konstant angenoen!] 3 1 Berechnen Se den Betrag der Wäre, de zur Erwärung des Znns durch de vollständge Verbrennung von 1 Lter Petroleu genutzt werden kann! 3.. Berechnen Se de Teperatur der Znnschelze nach der Erwärung! 3 3 Welche Mschungsteperatur stellt sch Znnbad (75 C) nach de Entauchen der dre Bleche (Anfangsteperatur 5 C) en, wenn de Wäreabgabe an de Ugebung vernachlässgt wrd? Aufgabe 4 De AbbUdung zegt den prnzpeuen Aufbau enes Metallausdehnungstheroeters, t de de Teperatur ener Flüssgket geessen werden sou. Das Theroeter besteht aus ene Außenrohr aus Messng, n das en Porzellanstab engebracht wurde. Der Stab st a unteren Ende t der Hülse fest verbunden.., _ n.... De Hülse t Stab wrd hnrechend lange n de Flüssgket engetaucht (sehe Skzze), so daß das gesate Theroeter de Teperatur der Flüssgket angenoen hat. Metallausdehnungsthernoteter frln.-0--rst.uun}.' B.f.-Ujunj p.a.^f.a.p. M«-S-n.h >- StotV «t d.r zu n_...n_.n T«nj)«r«tur 3

6 4.1. Erläutern Se de Wrkungswese enes solchen Theroeters! 4.. De Hülse und der Stab haben be 0 C ene Länge 1 = 30 c. Der Abstand zwschen Porzellanstab und Messnghülse betrage s = 4. (De Veränderung des Abstandes s be Teperaturänderung blebe unberückschtgt!) Leten Se ene Glechung zur Berechnung des Auslenkwnkels des Zegers unter Berückschtgung der gegebenen Größen her! U welchen Wnkel ändert sch de ZegersteUung, wenn de Teperaturänderung 153 K beträgt? (Hnwes: a Por _ dlal = 310" 6 K" 1 ; <x Messng = K" 1 ) Aufgabe 5 In ene abgeschlossenen Gefäß von 1 d 3 Voluen befndet sch HeUu unter Norbedngungen (p 0 = 1013 hpa, T 0 = 73,15 K), das als deales Gas betrachtet wrd. J, (Hnwes: R^üu = 077 kg- K > 5.1. Für das deale Gas glt: pv = J N E J _ ^ X. Leten Se dat ene Glechung her, de de Abhänggket der ttleren Telchengeschwndgket von der Teperatur angbt! 5.. Berechnen Se de ttlere Telchengeschwndgket von Helu unter Norbedngungen! 5.3. Das Gas wrd sobar erwärt, bs sch de ttlere Geschwndgket der Gastelchen verdoppelt hat. Welche Endteperatur errecht das Gas? 4

7 Thea III Felder Aufgabe Erläutern Se de Bedeutung von ModeUen n der Physk anhand von zwe Bespelen, und gehen Se dabe auch auf de Grenzen der Anwendbarket deser Modelle en! 1.. Veranschaulchen Se das Feld zwschen den (sehe Skzze 1)! beden geladenen MetaUplatten 5 cn \ / fl o /. v 1.3. En postv geladener Probekörper wrd nachenander n das Feld an de Orte A und B gebracht. Verglechen Se de Bewegungen, de der Probekörper anschleßend ausführt! De Gravtaton blebe unberückschtgt! Begründen Se Ihre Aussagen! 1.4. De Kondensatorplatten befnden sch n ene Abstand von 5 c. An hnen lege ene Spannung von 10 V. En zunächst ruhendes a-teuchen befnde sch Feld des Kondensators a Ort A. Berechnen Se - de elektrsche Feldstärke Kondensator Punkt A, - de Beschleungung, de das a-teuchen erfährt, - de beschleungende Kraft auf das oc-teuchen. (Hnwes: u = 1,6610* 7 kg) 5

8 Aufgabe De Skzze stellt ene Elektronenstrahlröhre t ene agnetschen Ablenksyste von quadratsche Querschntt t der Setenlänge s = 3 c dar. Das hoogene agnetsche Feld verläuft senkrecht zur Bewegungsrchtung der Elektronen und hat ene agnetsche Flußdchte von 0 T. t r XXXXXX xxxxxx xxxxxx xxxxxx.1. Welche Geschwndgket haben de Elektronen des Elektronenstrahls, wenn de Anodenspannung 1 kv beträgt? De relatvstsche Massenveränderhchket blebe unberückschtgt!.. Berechnen Se de knetsche Energe enes Elektrons (n ev), nachde es de Beschleungungsspannung durchlaufen hat!.3. We groß st der Radus der nnerhalb des Magnetfeldes verlaufenden Kresbahn der Elektronen?.4. Be ener Veränderung der Anodenspannung ändert sch auch der Radus der Kresbahn der Elektronen. SteUen Se den Radus deser Kresbahn als Funkton der Beschleungungsspannung grafsch dar! ( 0 < U < 15 kv) Welcher Zusaenhang besteht zwschen den beden Größen? Tragen Se auch Ihre n.3. und.5. berechneten Werte n das Dagra en!.5. Be welcher Anodenspannung verläuft der das Magnetfeld verlassende Elektronenstrahl senkrecht zu entretenden Elektronenstrahl? 6

9 Aufgabe 3 Fertgen se zur Lösung deser Aufgabe en Protokoll an, n de Se de folgenden TeUaufgaben bearbeten! Für den Schenwderstand ener Spule Wechselstrokres gut z =VR + X L Beschreben Se en Verfahren zur experentellen Bestung des nduktven Wderstandes der Spule! 3.. Zechnen Se de Schaltskzze n spannungsrchtger Schaltung, und führen Se das Experent durch! 3.3. Leten Se aus de Induktonsgesetz ene Glechung für de Induktvtät ener Spule her! 3.4 Berechnen Se den nduktven Wderstand und de Induktvtät der Experent verwendeten Spule sowe de durch dese Spule hervorgerufene Phasenverschebung! 3.5. We verändert sch de Induktvtät ener Zyünderspule, wenn der Durchesser der Spule u de Hälfte des Anfangswertes vergrößert wrd? 7

10 Thea IV Energe und Kräfteblanzen Aufgabe 1 Mechansche Energe Ene Kugel und en Vollzylnder glecher Masse und glechen Durchessers rollen aus de StUlstand aus glecher Höhe ene genegte Ebene hnab. De Rebung blebt unberückschtgt Leten Se Glechungen zur Berechnung der Geschwndgketen her, t der de Körper de genegte Ebene verlassen! 1.. In welche Verhältns stehen de beden Geschwndgketen? Aufgabe Äußerer lchtelektrscher Effekt.1. Erläutern Se den äußeren üchtelektrschen Effekt? Nutzen Se dazu ene Energeblanz!.. Ene Katode aus Caesu wrd t Lcht der Wellenlänge 360 n bestrahlt...1. Leten Se ene Glechung zur Berechnung der Geschwndgket der schnellsten Fotoelektronen her! Berechnen Se de Geschwndgket!... Besten Se de WeUenlänge des Lchtes, be der de Fotoelektronen aus de Katodenateral austreten aber kene knetsche Energe bestzen!..3. Zechnen Se de Enstensche Gerade für das verwendete Katodenateral n en Ekn" f- Dagra! Zechnen Se de Enstenschen Geraden für de Fälle n dasselbe Koordnatensyste, daß das Katodenateral aus Baru bzw. aus Znk besteht! Begründen Se den Verlauf der dre Geraden zuenander! (Hnwes: W A; Baru =,5 ev; W A; Q^^^ = 1,93 ev; W A; Z n k = 3,95 ev) 8

11 Aufgabe 3 Bewegung von Elektronen In ener Nebelkaer ettert ene StrahlungsqueUe ß"-Teüchen (Elektronen). Dese Nebelkaer wrd von ee konstanten hoogenen Magnetfeld der agnetschen Flußdchte 1,0-10" V s n r senkrecht zur Bewegungsrchtung der TeUchen durchsetzt Auf ener Fotografe st de Nebelspur enes deser ß'-Teüchen als Kresbahn schtbar, deren Radus 10 beträgt. Leten Se de zur Berechnung der knetschen Energe des Teüchens erforderüche Glechung her, und begründen Se den Lösungsansatz:! 3.. Berechnen Se de knetsche Energe deses ß'-Telchens n ev! Aufgabe 4 Bewegungen I Dagra st der Bewegungsablauf enes unbeladenen Kraftwagens dargesteut. n ^! a -- x..-*_. «-. _W-^._, t < 4 \. _u 4-4" -. J^T.. ^ } r 1 - r \ 4 j...-_.. -: 1... n t 4.1. Beschreben Se den Bewegungsablauf! 4.. Zechnen Se das zugehörge Beschleungung-Zet-Dagra! 4.3. Berechnen Se de Fahrstrecke, de n 19 s zurückgelegt wurde! 4.4. Durch Beladen des Fahrzeuges verdoppelt sch de Masse. Ertteln Se de Zet, de das Fahrzeug be glechblebender Antrebskraft und be Vernachlässgung der Rebung zu Errechen derselben Höchstgeschwndgket benötgt! Begründen Se Ihre Aussage! Aufgabe 5 Planetensyste Der Jupterond Ganyed braucht auf sener kresförgen Bahn für enen vouen Ulauf ene Zet von 171 Stunden und 36 Mnuten. Der Bahnradus beträgt dabe 1,07-IO 9. (Radus des Jupter r T = ; y = 6,67-10" 11 N kg" ) Berechnen Se aus desen Angaben de Masse des Jupter! 9

12 5.1.. Berechnen Se de Fallbeschleungung auf der Jupteroberfläche! 5.. In welcher Entfernung vo Erdttelpunkt wrd en zwschen Erde und Mond befndlcher Gegenstand schwerelos? (Abstand Mondttelpunkt - Erdttelpunkt r = k; Mondasse = -g- Erdasse) 30

13 Lestungskurs-L ö s u n g e n Aufgabenkoplex 1: BE 47 C7D C5-» Aufgabe 1 Mechank 1.1. AB: Energeerhaltungssatz E +E > E BC"-. E = konst. C: Unelastscher Stoß: Ipulserhaltungssatz CD": E = konst. D: Elastscher Stoß: Energeerhaltungssatz. Ipulserhaltungssatz 1.. E = E -g-h + -s- 1 A / ' -/ v +-g-h A A = s" 1 = 1. 8 k-h - 1 1_ C6} C6) C5, 1.3. tanet = AB OL = a - g * s n a a = s ' v - v 1.4 At B O At = 13.4 s Zechnen derb e d e n Dagrae 1.5. Ipulserhaltungssatz für unelastschen Stoß Mt v u u = 0 folgt v B s C E,. = E ktn«_,+. Sp I CQ CO II II 7E Y kn<c,+> k 3 c ' 31

14 BE C13J 1.7. E = E + W A B. R<=-tbvAB 4 z 1 -^ rn -v + -q-h w rr- -v - 1 A 1 ' A 1 B / X1 v = V v + qh - g - u -Aß B A A ^ ' v = s - 1 B + rn -cr/u -AB E k,n,b 1 -* - -v E BC BC" W Reb q V g JU 33 u. BC F 13 C5) Aufgabe.1. Überlagerung von ener geradlng glechförgen Bewegung t v und ener t der Feldkraft F glechäßg beschleungten Bewegung n Rchtung der postven Platte. Bahnfor: Parabel. = v Mt d K-( a = F "~ d- -v d e und 1 s = - a y <- y F - oder U -e folgt 60 Für alle Spannungen größer oder glech U trfft der Elektronenstrahl de postve Platte. 3

15 Aufgabenkoplex : Therodynak BE 8 C4D C4D Aufgabe AB: Isobare Erwärung von T auf T 3 1 BC: Adabatsche Expanson CA: Isothere Kopresson Zustandsgrößen: p, V. T Prozeßgrößen 1.. AB: Isobare Zustandsänderung (p = konst.) AU = Q + W t W = p-av BC: Adabatsche Zustandsänderung (Q = 0) AU = W CA: Isothere Zustandsänderung (AU = 0 ) Q = -W Q. W 16 C6. C4_> Aufqabe.1. Zustand. p n kpa w V n c T n K 3 A B C D Berechnung von zwe Werten für sothere Expanson Berechnung von zwe Werten für sothere Kopresson Zechnen des p-v-dagras 47.3 Be dese Vorgang wrd Arbet abgegeben. Begründung z.b.: D e r Betrag der Expansonsarbet größer als d e r Betrag der Kopressonsarbet. st C4D.4 Besten der abgegebenen Arbet graphsch: W = rechnersch W = Auf qa be Q zu = H p V 7? 0 z u = 7140 kj C7D 3.. Q zu a Q + Q + Q ' fest Sch. fl. Q q E 3 c - c o sn Sn sn & = 1 75 C C4D 3.3. Rchannsche Mschungsregel 9 M 595 C 33

16 BE 10 Aufgabe 4 C4D Unterschedlche Längenausdehnung von Porzellanstab und Messnghülse be glecher Erwärung, dadurch Hebelwrkung auf den Zeger. C6) 4.. AI 1 AS Ges AI OdS tan 4> IO 1 (<x - u a ) p 10 Aufgabe 5 C5D 5.1. Aus p V p-v = -R-T E folgt t kn, x 1 _ N - = und E - _. -v x k. n, x c x x! " 7 - / 3 R T C) C3-) v x _ # V x T s 7 X # V x 3 R - be T T 1093 K "BT 34

17 Aufgabenkoplex 3; Felder BE 0 C6) C43 Aufgabe Bedeutung von Modellen erläutern z.b. für Erkenntnsgewnnung Bespele: Punktasse, starrer Körper. Feldlnen, Atoodell Grenzen des Modells a gewählten Bespel erläutern. 1.. Enzechnen des Feldlnenbldes Rchtung der Feldlnen Aus- und Entrttsrchtung der Feldlnen senkrecht zur Plattenoberfläche hoogenes Feld be parallelen Platten nhoogenes Feld be schrägen Platten C4D 1.3. Punkt A Punkt B geradlnge, glechäßg beschleungte Bewegung zur negatven Platte konstante Feldkraft, da hoogenes elektrsches Feld unglechäßg beschleungte Bewegung entlang der Feldlnen zur negatven Platte Feldkraft ändert Betrag und Rchtung, da nhoogenes elektrsches Feld C6-) 1.4 U S V T E = IT He F " 1 0 N a s" e C4-) Aufgabe v = e U V / e U V k-s C3.. E = e U k _n E kn» 1 kev C5D.3. B = e U / U 18,5 35

18 B E C7_>.4 Daqra r = f(u ) t 0 < U < 15 kv B B r -< y u P (1 kv : ) P (7.91 kv : 15 ) C4).5 u u = r e B 7915 V t r = - = 15 Aufgabe 3 C4D C43 C4) Anfertgen enes Protokolls t folgenden Inhalten: 3.1. Messen von Strostärke und Spannung enal Gle c h s t r o k r e s zu anderen Wechselstrokres r u. U u R T 3.. Schaltskzze n spannungsrchtger Schaltung und 3.3 Aufbau der Schaltung: Aufnahe der Meßwerte Aus U = N U -,u- L = IJ- H_ T d (B A ).,... ṙ. N fol q t t B = /L.- I dt T~ dl und t U = L dl dt dt - A C X n f C_> 60 tan 9 R 3.5. Zylnderspule: L = ^ N' Daraus folgt: be ener Vergrößerung von d auf das 1,5-fache vergrößert sch L auf das,5-fache. 36

19 Aufgabenkoplex 4: Energe und Kräftebl anzen BE 7 C5-> Aufgabe E Kugel pot Zylnder: ' + E h rot = - v + j_ j w : ' 9 h = - v + 1 v : K <- K 5 K K g h E L.- kn V g /W z 4 z yj g h C3 1-. v : v = y ^ _. -a g - h K Z 7 /TF : /T C4-) C5) Aufgabe.1. Erläuterung des äußeren lchtelektrschen Effektes unter Nutzung der Glechung h f = I...1. Aus obger Glechung folgt v + W C3D.. Aus X -(h-f - W ) A 730 k-s e W folgt t c = X A 64 n C7-)..3. Berechnen der Grenzfreguenz f = s" 1 o Zechnen des E -f-dagr. für Caesu Parallel verschobene Gerade für Baru Parallel verschobene Gerade für Znk Begründung: z.b. Ansteg der Geraden st n allen dre Fallen h, sot üssen de Geraden parallel sen. Schnttpunkt t der E -Achse- - W kn A C4D Aufgabe 3 B C e v 3.. kn r 879 ev kn 37

20 BE 15 C43 C4-) C4D C3D Aufgabe Abschntt 1: s: glechäßg beschleungte Bewegung Endgeschwndgket v s" 1 Abschntt : s: geradlng glechförge Bewegung t v = 15 -s" 1 Abschntt 3: s: glechäßg verzögerte Bewegung zu Stllstand a - 1,5 -s - s = 75 : s s Ges - 187,5,- 0 : lagras 1 90 ; a = 3 S = s Aus F = -a folgt be ener Verdoppelung der Masse ene Halberung der Beschleungung und dat über Av a - At ene Verdoppelung der Zet auf 0 s. 13 C5-> C3D Aufgabe F F < J r. r F R A 4rc _. r. 3 r - T a r 1.9 I O 7 kg o a> r 4,6 -s C5_> 5.. r E p Y u p 'W r u - 9 r u k 38