Zentrale schriftliche Abiturprüfung Physik. Grundkurs. für Prüflinge Aufgabenstellung A

Transkript

1 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2009 Physik Teil A (Wahl für Prüflinge) für Prüflinge Aufgabenstellung A Hilfsmittel: Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Materialien zur Durchführung des Schülerexperimentes Gleichspannungsquelle Spannungsmesser (hochohmig) Verbindungsleiter Kondensator C2 Widerstand R2 Umschalter Stoppuhr Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Wahlthemen Aufgabenstellung A1 Thema/Inhalt: Elektrodynamik Kondensatoren als Energiespeicher mit Schülerexperiment oder Aufgabenstellung A2 Thema/Inhalt: Elektrodynamik Induktivität Seite 1 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

2 Aufgabenstellung A1: Elektrodynamik Kondensatoren als Energiespeicher 1 Kleine Elektrogeräte, die nur unregelmäßig im Einsatz sind, lassen sich durch einen eingebauten Handgenerator mit Energie versorgen. In einem Projekt zum Einsatz von Leuchtdioden (LED) konstruierten Schüler auf dieser Basis eine Taschenlampe. Damit jedoch ein ständiges Drehen des Generators nicht nötig ist, nutzten sie als Energiespeicher einen hochkapazitiven Kondensator C1 einen sogenannten Gold-Cap-Kondensator mit 5,0 F. Im abgebildeten Schaltplan ist der prinzipielle Aufbau der Taschenlampe dargestellt. Bei ausreichender Kurbeldrehung stellt der Wandler stets eine konstante, R1 vom Hersteller vorgegebene, maximale Ladespannung von 2,5 V bereit. Die verwendete sehr leuchtstarke gelbe G C1 LED besitzt im Dauerbetrieb die Kenngrößen: Wandler maximaler Durchlassstrom: I D = 20 ma Betriebsspannung: U D = 2,5 V. Bei 1,7 V ist jedoch die Leuchtstärke der LED für den Einsatz in Taschenlampen zu gering. Aufgaben: 1.1 Die Tabelle zeigt, wie sich der Kondensator bei gleichmäßiger Kurbeldrehung und ausgeschalteter LED über den Widerstand R 1 = 12 Ω auflädt. BE t in s I in ma 126,0 76,6 46,5 28,2 10,3 3,8 1, Fertigen Sie ein Schema der Energieumwandlungen für das Aufladen des Kondensators und den anschließenden Betrieb der Leuchtdioden an Stellen Sie den Ladevorgang in einem I(t)-Diagramm dar. Erklären Sie den Verlauf des Graphen. Treffen Sie eine begründete Entscheidung, nach welcher Zeit das Drehen der Kurbel wenig sinnvoll wird Der Kondensator ist annähernd vollständig geladen Ermitteln Sie die in ihm gespeicherte elektrische Energie. 3 Seite 2 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

3 1.2.2 Die LED wird nun durch den Kondensator betrieben. Schätzen Sie unter Verwendung des Diagramms im Anhang die mögliche Leuchtdauer der Taschenlampe ab. Erläutern Sie Ihr Vorgehen Ein der vorgestellten Taschenlampe entsprechender Aufbau wird auch bei Standlichtern von Fahrrädern genutzt. Erläutern Sie die technischen Bedingungen bei der praktischen Ausführung für ein Standlicht, auch unter Berücksichtigung des Wandlers. 1.3 Schülerexperiment Der Entladevorgang eines Kondensators soll von Ihnen in Analogie zur oben beschriebenen Taschenlampe genauer betrachtet werden. Laden Sie zu Beginn den Ihnen bereitgestellten Kondensator C2 dazu an der Gleichspannungsquelle direkt auf. Entladen Sie ihn anschließend über den Festwiderstand R2, der im Versuch die LED ersetzt. Ermitteln Sie auf der Grundlage einer experimentellen Untersuchung den prozentualen Anteil der elektrischen Energie des Kondensators, der während der ersten 5,0 s des Entladens am Widerstand R2 umgesetzt wurde. Ihre Aufzeichnungen sollen mindestens enthalten: das Schaltbild der Messanordnung aus dem Experiment gewonnene Messwerte bei dreimaliger Versuchswiederholung den Lösungsweg zur Berechnung des Energieanteils. Gelingt das Experiment nicht, können Sie Ersatzmesswerte anfordern. Die Bewertungseinheiten für den experimentellen Teil werden dann nicht erteilt Anhang P in mw t in s Seite 3 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

4 Aufgabenstellung A2: Elektrodynamik Induktivität 1 Energiesparlampen ersetzen zunehmend die über hundert Jahre etablierte Glühlampe. Viele dieser Energiesparlampen bestehen aus einem elektronischen Schaltteil im Sockel und einer gebogenen Leuchtstoffröhre. Leuchtstoffröhren in meist länglicher Bauform dienen schon seit Jahrzehnten der energiesparenden Beleuchtung. Abb. 1 zeigt die Schaltung für den üblichen Betrieb einer Leuchtstoffröhre (LS). In Abb. 2 ist eine Schaltung dargestellt, mit deren Hilfe sich der Zündvorgang einer Glimmlampe, in Analogie zu dem einer Leuchtstoffröhre, nachweisen lässt. DS 230V ~ S LS B Starter G Abb. 1 6V S Abb. 2 Seite 4 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

5 1,0kΩ Land Brandenburg Aufgaben: 1.1 Die Glimmlampe hat eine Zündspannung von 70 V. Zuerst ist der Schalter S geschlossen. Beim Öffnen von S beobachtet man ein kurzes kräftiges Aufleuchten der Glimmlampe. BE 11 Erklären Sie die Vorgänge ausführlich, die zum Aufleuchten der Glimmlampe führen. 1.2 Zur genaueren Untersuchung der Vorgänge wird in der Schaltung die Glimmlampe durch einen Widerstand Rm ersetzt (siehe nebenstehende Abbildung). Die im Versuch benutzte Spule mit 1500 Windungen ist 12 cm lang und besitzt eine Querschnittsfläche von 6 cm 2. Ihr ohmscher Widerstand beträgt 0 Ω. Für die Untersuchungen wurde sie mit einem Eisenkern versehen. In einer ersten Messung an der Spule betrug dort die maximale Induktionsspannung U i,max = -49 V. Hinweis: Bei allen weiteren Betrachtungen ist davon 6V S Rm auszugehen, dass der Schalter S schon lange geschlossen ist Ermitteln Sie die Induktivität der Spule ohne Eisenkern Skizzieren Sie den von Ihnen vermuteten Spannungsverlauf U(t) über der Spule 11 kurz vor dem Öffnen und den weiteren Verlauf nach erfolgtem Öffnen des Schalters. Begründen Sie den Verlauf kurz Berechnen Sie die im Versuch auftretende maximale Stromstärke durch Rm Die Tabelle basiert auf ausgewählten Werten der Spannungsaufzeichnung über der Spule nach dem Öffnen des Schalters. t in ms I in ma -27,5-17,5-11,3-7,2-3,0-1,2-0,5 Fertigen Sie das zugehörige I(t)-Diagramm an. Ermitteln Sie näherungsweise die Induktivität mit Hilfe der Halbwertszeit T 1/2 des ln 2 L Feldabbaus: T1/ 2 = R. Bestimmen Sie die relative Permeabilitätszahl μ r des die Spule ausfüllenden Kerns Eine weitere Untersuchung erfolgte entsprechend der nebenstehenden Schaltung. Bei der Verwendung verschiedener Spulen ergaben sich nach dem Schließen des Schalters unterschiedliche Stromstärkeverläufe, wie sie unten im Diagramm dargestellt sind. Vergleichen Sie auf der Grundlage begründeter Vermutungen den ohmschen Widerstand der Spulen A, B und C sowie die Induktivität der Spulen B und C. 6V S 7 Seite 5 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

6 I B C A 0 t 1.4 Die in Abb. 1 gezeigte Grundschaltung zum Betrieb der Leuchtstoffröhre enthält eine so genannte Drosselspule (DS) und einen Starter. Beide Bauteile sind nötig, um die Zündspannung von mehr als 300 V für die LS aufzubringen. Für den weiteren Betrieb reicht dann eine Brennspannung von ca. 60 V aus. Im Starter befinden sich ein Bimetallstreifen (B) und eine Glimmstrecke (G), die als Wärmequelle dient. Erklären Sie, wie mit Hilfe des Starters die Zündung und der weitere Betrieb der Leuchtstoffröhre ermöglicht werden. 5 Seite 6 von 6 Physik 09_Ph_A_G_A1.doc

7 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2009 Physik Teil B (Wahl für Prüflinge) Aufgabenstellung B für Prüflinge Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung 3 Zeitstunden Wahlthemen Aufgabenstellung B1 Thema/Inhalt: Ladungsträger in elektrischen Feldern oder Aufgabenstellung B2 Thema/Inhalt: Eigenschaften von Quantenobjekten Seite 1 von 5 Physik 09_Ph_A_G_B1.doc

8 Aufgabenstellung B1: Ladungsträger in elektrischen Feldern Material Z der Punkt Z kennzeichnet die Bildschirmmitte Aufgaben: 2 Die Entwicklung der Fernsehund Computertechnik wurde maßgeblich durch den Einsatz von Elektronenstrahl-Röhren bestimmt. An vielen Schulen gibt es noch Funktionsmodelle einfacher Röhren. Eine der Abbildung ähnliche Röhre wurde zu experimentellen Untersuchungen herangezogen. Beschleunigungssystem Ablenksystem (hier nur zwei Platten) 1 cm Bildschirm Das in der Röhre installierte Ablenksystem besteht aus jeweils zwei zueinander parallelen Plattensystemen in horizontaler bzw. vertikaler Richtung, deren Plattenabstände d und deren Längen l jeweils 2,0 cm betragen. 2.1 An die Röhre wurde eine Anodenspannung U a = 430 V angelegt, woraufhin kurze Zeit später auf dem s = 11,5 cm vom Ende des Ablenksystems entfernten Bildschirm das im Material dargestellte Bild erschien Bestimmen Sie aus einem Energieansatz die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen das Ablenksystem erreichen. 7 1 zur Kontrolle: v 0 1, 2 10 m s Fertigen Sie eine Skizze zur Ausrichtung der Platten des Ablenksystems an und kennzeichnen Sie die zugehörigen Spannungen. Treffen Sie begründete Aussagen über den zeitlichen Verlauf der an den Plattensystemen anliegenden Spannungen Die horizontale Ablenkspannung sei ausgeschaltet. Erklären Sie anhand einer Skizze den Verlauf des Elektronenstrahls bei maximaler vertikaler Auslenkung, vom Eintritt in das Ablenksystem bis zum Bildschirm. BE Seite 2 von 5 Physik 09_Ph_A_G_B1.doc

9 2.1.4 Die Ablenkung s y des Elektronenstrahls setzt sich aus der Ablenkung 2 Uy e l sy1 = beim Austritt aus dem Ablenksystem und dem Abschnitt 2 2 me d v0 Uy e s sy2 = aus der Fortführung des Elektronenstrahls bis zum Bildschirm zusammen. 2 me v0 Leiten Sie die Gleichung für s y1 her. Ermitteln Sie für das vertikale Plattensystem das Intervall der dort angelegten Ablenkspannungen. 2.2 Bilderzeugungssysteme in großformatigen Röhrenmonitoren mit flachen Bildschirmen müssen höchste Anforderungen erfüllen. Schon mit der Entwicklung erster Farbmonitore kamen Loch- bzw. Strichmasken zum Einsatz, die die drei Elektronenstrahlen des bilderzeugenden Systems nach der Ablenkung durchlaufen. B G R 13 Erläutern Sie die Aufgabe einer solchen Maske. Stellen Sie begründete Vermutungen über Bildprobleme an, die bei der horizontalen Bewegung eines Elektronenstrahles vom Bildschirmrand zu seinem Zentrum aus der Röhrengeometrie entstehen können. 6 Seite 3 von 5 Physik 09_Ph_A_G_B1.doc

10 Aufgabenstellung B2: Eigenschaften von Quantenobjekten Aufgaben: 3 Der französische Physiker Louis de Broglie stellte 1924 seine Hypothese auf, nach der allen Teilchen mit dem Impuls p = m veine Wellenlänge λ = h p zugeordnet werden kann. Infolgedessen müsste also auch ein Elektron Welleneigenschaften besitzen. Ein experimenteller Nachweis gelang 1927 an einer Elektronenbeugungsröhre. Die in der Röhre beschleunigten Elektronen treffen auf eine mit polykristallinem Graphitpulver beschichtete Folie. An den durch die Atome des Graphits gebildeten Gitterebenen erfolgt eine Beugung der Elektronen, wodurch R ein Beugungsbild entsteht, welches ähnlich dem in der nebenstehenden Abbildung ist. Der erste innere Ring (in der Abbildung hervorgehoben) ist das durch Interferenz erzeugte Maximum 1. Ordnung. Das vorliegende Diagramm zeigt Ergebnisse der Untersuchung mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen U B. R in mm ,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 U B in kv 3.1 Das elektromagnetische Spektrum enthält auch Frequenzbereiche für Quantenobjekte, so u. a. für BE das sichtbare Licht die UV-Strahlung die Röntgenstrahlung 410 Hz bis 810 Hz 6,1 10 Hz Hz bis 510 Hz 7,3 10 Hz Hz bis 310 Hz 1, 6 10 Hz Treffen Sie grundsätzliche Aussagen über die Energie und weitere 3 gemeinsame Eigenschaften von Quantenobjekten. 4 Seite 4 von 5 Physik 09_Ph_A_G_B1.doc

11 3.1.2 Vergleichen Sie die Energien der ausgewählten Quantenobjekte (siehe 3. Spalte) mit der von Elektronen, die in der Beugungsröhre mit U B = 4,0 kv beschleunigt wurden In guter Näherung können Geschwindigkeit und Impuls bei den vorliegenden Beschleunigungsspannungen U B des gegebenen Diagramms noch ohne relativistische Betrachtungen bestimmt werden Erläutern Sie schrittweise am Beispiel eines mit U B = 4,0 kv beschleunigten Elektrons, wie sich seine de-broglie-wellenlänge λ B berechnen lässt. 17 zur Kontrolle: λ B Zeichnen Sie auf der Grundlage einer Wertetabelle das λ B (U B )-Diagramm. Interpretieren Sie den Graphen. 11 1, 9 10 m Für die Elektronenbeugungsröhre ergibt sich die de-broglie-wellenlänge λ B in guter R Näherung mit der Gleichung λ = k, wobei L = 13,5 cm der Abstand zwischen L B beschichteter Folie und Bildschirm ist. Zeigen Sie an drei Wertepaaren, dass k konstant ist. Begründen Sie, welche Bedeutung k entsprechend der Versuchsanordnung haben kann. 11 Seite 5 von 5 Physik 09_Ph_A_G_B1.doc