Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2004/05 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 15 BE. Erlaubte Hilfsmittel: - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra- System - Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele - Zeichengeräte Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 1 von 8

2 Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 Ein Körper wird zum Zeitpunkt 0 s abgeworfen. Die Wurfbewegung wird aufgezeichnet und in einem x-y-koordinatensystem ausgewertet. Der Wurf endet am Ort A(x max ; 0). t in s 0 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 x in m 0 2,95 5,90 8,85 11,8 14,8 y in m 2,00 3,62 4,36 4,22 3,20 1, Geben Sie die Gleichung einer Funktion an, die diese Wurfbahn beschreibt (Auf die Angabe der Einheiten darf verzichtet werden.). Geben Sie Wurfweite x max und Wurfhöhe y max an und bestimmen Sie den Abwurfwinkel. Erreichbare BE-Anzahl: Die Abwurfgeschwindigkeit beträgt v 0 = 12,0 m s. Zeichnen Sie die vektorielle Zerlegung der Abwurfgeschwindigkeit in horizontale und vertikale Komponente. Geben Sie den Maßstab an Beschreiben Sie qualitativ, wie sich potenzielle und kinetische Energie im Verlauf der Bewegung ändern. Begründen Sie. Erreichbare BE-Anzahl: Skizzieren Sie die Graphen der Funktionen E kin( t ) und E pot ( t ) in einem gemeinsamen Koordinatensystem. Kennzeichnen Sie im Koordinatensystem den Zeitpunkt, zu dem der Gipfelpunkt durchlaufen wird. 2 Spule im Gleichstromkreis 2.1 Bei Ausschaltvorgängen können in Spulen hohe Selbstinduktionsspannungen entstehen. Erklären Sie diese Erscheinung. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 2 von 8

3 2.2 Die Induktivität einer Spule soll unter Nutzung eines Kondensators und einer Diode ermittelt werden Zunächst wird mit Schaltung 1 die Kapazität des Kondensators bestimmt. Der verwendete Kondensator besteht aus zwei im Abstand d = 2,0 mm parallel angeordneten Metallplatten der Fläche A = 10 cm. Der Raum zwischen beiden Platten ist vollständig durch eine isolierende Kunststoffscheibe ausgefüllt. 2 U 1 S C V Schaltung 1 Der Kondensator wird an eine Spannungsquelle angeschlossen, ein am Kondensator angeschlossenes Spannungsmessgerät zeigt die Spannung U 1 = 56 V an. Nun wird die Spannungsquelle abgeklemmt und die Kunststoffscheibe entfernt. Das Spannungsmessgerät zeigt jetzt die Spannung U 2 = 98 V an. Begründen Sie, dass U 2 > U 1 gilt und berechnen Sie die Kapazität des mit der Kunststoffscheibe ausgefüllten Kondensators. Erreichbare BE-Anzahl: Unter Nutzung von Schaltung 2 sowie der bei ermittelten Kapazität wird nun die Induktivität der Spule bestimmt. Hinweise: Der Ohm sche Widerstand der Spule wird nicht berücksichtigt. Dioden lassen in Sperrrichtung praktisch keinen Stromfluss zu. Deshalb ist der Kondensator vor dem Öffnen des Schalters nicht geladen. C V U L Spule Diode n p I A Der Schalter S wird geöffnet. S Schaltung 2 a) Das Spannungsmessgerät zeigt nun eine Spannung U an. Erklären Sie. Welche Seite (bezogen auf die Abbildung) des Kondensators trägt den Minuspol? b) Die Energie des magnetischen Feldes der Spule wird vollständig in Energie des elektrischen Feldes des Kondensators umgewandelt. Leiten Sie eine Gleichung zur Berechnung der Induktivität der Spule aus U, I und C her. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 3 von 8

4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe B: Optik / Thermodynamik 1 Unter Nutzung eines optischen Gitters der Gitterkonstante 0,05 mm soll in einem Experiment das kontinuierliche Spektrum des weißen Lichts einer Glühlampe erzeugt werden. 1.1 Beschreiben Sie eine mögliche Experimentieranordnung und erklären Sie deren Funktionsprinzip. Begründen Sie, dass ein Spektrum entsteht. Erreichbare BE-Anzahl: Das kontinuierliche Spektrum 1. Ordnung (Wellenlängenbereich 400 nm λ 780 nm ) soll eine Breite von mindestens 1 cm haben. Untersuchen Sie rechnerisch, ob sich dies mit der in 1.1 beschriebenen Experimentieranordnung auf einem Tisch der Länge 1,2 m realisieren lässt. 2 Im Universum gibt es interstellare Gas- und Staubwolken, in denen das Element Wasserstoff enthalten ist. 2.1 Nennen Sie zwei Aussagen, die das Bohr sche Atommodell bezüglich des Wasserstoffatoms macht. 2.2 Ein Wasserstoffatom befindet sich im Grundzustand. Geben Sie den Betrag der Energie an, die mindestens auf das Hüllenelektron übertragen werden muss, um das Atom zu ionisieren. 16 Ein Photon der Frequenz 5,0 10 Hz überträgt seine Energie vollständig auf ein Elektron im Grundzustand. Berechnen Sie die Geschwindigkeit des herausgelösten Elektrons. 2.3 Bestimmte Wolken bestehen aus Wasserstoffmolekülen. Die Temperatur der Wolken beträgt 25 K. In einem Kubikzentimeter befinden sich 500 Moleküle. 27 Die Masse eines Moleküls beträgt 3,35 10 kg. (spezifische Gaskonstante für Wasserstoff: R = 4,1 10 J kg K ) Weisen Sie rechnerisch nach, dass der Druck in der Molekülwolke 1, Pa beträgt Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 4 von 8

5 55 m Eine Wolke verdichtet sich vom Zustand 1 (10 10 ;1,7 10 Pa; 25 K) innerhalb eines großen Zeitraums zum Zustand 2. Die Abbildung zeigt das p(v ) Diagramm der Verdichtung. 13 p in10 Pa x Zustand 2 Zustand 1 x V in m 3 Berechnen Sie die Temperatur T 2. Ermitteln Sie die Volumenarbeit. Erreichbare BE-Anzahl: 4 Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 5 von 8

6 Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Mechanische Schwingungen Führen Sie Untersuchungen an einem Fadenpendel durch. Die vollständig aufgebaute Experimentieranordnung (siehe Abbildung) sowie alle weiteren zum Experimentieren notwendigen Hilfsmittel werden Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer übergeben. 1 Mit dem gegebenen Pendel, das im Ausgangszustand die unbekannte Länge l 0 hat, soll die Fallbeschleunigung experimentell bestimmt werden. Die Pendellänge soll dabei nicht direkt gemessen werden. 1.1 Lenken Sie das Pendel um etwa 5 aus und messen Sie die Periodendauer T. 0 Hinweis: Achten Sie darauf, dass die Ruhelage des Pendelkörpers stets senkrecht unter der Mitte beider Aufhängepunkte liegt. Messstab d Hakenkörper mit Permanentmagnet Ausgangshöhe 1.2 Verringern Sie die Pendellänge um d = 10,0 cm. Messen Sie die Periodendauer T. Messen Sie für vier weitere Längenänderungen (d = 20,0 cm; 30,0 cm; 50,0 cm; 70,0 cm) jeweils die Periodendauer. Beachten Sie, dass d stets auf die Ausgangshöhe bezogen werden muss. 1.3 Zeichnen Sie das d(t ) Diagramm. Tragen Sie auch das Wertepaar (T ; 0) ein. 0 g Für die Funktion d (T ) gilt die Gleichung d = T + l π Leiten Sie diese Gleichung her. 1.5 Ermitteln Sie unter Nutzung Ihrer Messwertepaare und der Gleichung von Aufgabe 1.4 die Fallbeschleunigung. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 6 von 8

7 2 Stellen Sie nun die Länge des Pendels so ein, dass der Pendelkörper etwa 1 mm über dem gegebenen Blech aus Nichteisenmetall (liegt am Experimentierplatz bereit) frei schwingen kann. Lenken Sie den Pendelkörper um etwa 5 aus und beobachten Sie die Amplitudenänderung. Führen Sie anschließend das Experiment ohne Blech durch. Geben Sie an, bei welchem Teilversuch eine größere Dämpfung auftritt. Erklären Sie das experimentelle Ergebnis. 3 Erläutern Sie die Notwendigkeit der Schwingungsdämpfung an einem technischen Beispiel. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 7 von 8

8 Aufgabe C 2: Strahlenoptik Untersuchen Sie die seitliche Verschiebung eines weißen Lichtbündels, das eine mit Wasser gefüllte Küvette der Dicke d durchdringt. Planen Sie das Experiment gemäß der folgenden Aufgabenstellung und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. Bei allen Berechnungen bleibt die Wandung der Küvette unberücksichtigt. 1 Stellen Sie in ein mit Wasser gefülltes Becherglas schräg ein Trinkröhrchen. Betrachten Sie das Trinkröhrchen aus verschiedenen Blickwinkeln von oben. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen. 2 Durchläuft das Lichtbündel einer Optikleuchte schräg eine wassergefüllte Küvette, erfolgt eine Ablenkung (siehe Abbildung). Draufsicht auf die Küvette Für die Brechzahl der Flüssigkeit gilt: 2 2 x x ' + d n =. x' 2 2 x + d Wasser d Leiten Sie diese Gleichung her. x' x 3 Ihnen wird eine Experimentieranordnung vollständig aufgebaut übergeben. Bestimmen Sie mit dieser und der in Aufgabe 2 angegebenen Gleichung jeweils die Brechzahl von Wasser für drei verschiedene Werte x. Berechnen Sie den Mittelwert der Brechzahl. Erreichbare BE-Anzahl: 5 4 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Erreichbare BE-Anzahl: Licht der Frequenz 4,61 10 Hz geht von Glas ( n G = 1, 60 ) in Wasser ( W = 1,33 ) über. Berechnen Sie die Wellenlängenänderung des Lichts. Erreichbare BE-Anzahl: 4 Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 8 von 8