Aufgabe P1 Bewegungen (15 BE)

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1 Abitu 2003 Physik Lk Seite 3 Pflichtaufgaben (30 BE) Aufgabe P1 Bewegungen (15 BE) 1. In de Physik weden Bewegungen mit den Modellen Massenpunkt" und stae Köpe" beschieben. Welche Gundaussagen beinhalten diese Modelle? Geben Sie je ein Beispiel fü die Anwendung diese Modelle an. 2. An eine Schnu de Länge l = 1,20 m hängt eine Kugel de Masse m = 880 g. Fü diese Anodnung weden veschiedene Bewegungen betachtet. a) In einem esten Vesuch bewegt sich die Kugel auf eine vetikalen Keisbahn um einen Punkt A. Im höchsten Punkt de Bahn soll auf die Kugel keine esultieende Kaft wiken. Wie goß ist die Bahngeschwindigkeit in diesem Punkt? b) In einem zweiten Vesuch wid die Kugel auf eine hoizontale Keisbahn mit gleichmäßig ansteigende Bahngeschwindigkeit gebacht (Abb. 1). Beechnen Sie die Geschwindigkeit, ab welche die Schnu eißen kann, wenn ihe Reißfestigkeit 20 N betägt? Abb Beim Abtagen baufällige Gebäude wuden fühe Abissbinen vewendet. Eine solche kugelfömige Abissbine aus Stahl hat eine Masse von 640 kg, hängt an einem 7,20 m langen Seil und ist 0,70 m von eine Maue entfent. Sie wid dann um α = 38 ausgelenkt, feigegeben und schwingt gegen die Maue. a) Stellen Sie den Sachvehalt in eine Skizze da. b) Wie goß ist de maximale Impuls, de beim Aufpall auf das Mauewek übetagen wid? Die Abissbine ist als Massenpunkt aufzufassen. Es ist weitehin die Pflichtaufgabe P2 zu beabeiten.

2 Abitu 2003 Physik Lk Seite 4 Aufgabe P2 Kenphysik und Quantenphysik (15 BE) 1. Bescheiben Sie den Aufbau und eläuten Sie die Wikungsweise eines Nachweisgeätes fü adioaktive Stahlung. 2. In Radionuklidbatteien wid die Zefallswäme adioaktive Isotope in einem themoelektischen Geneato in elektische Enegie umgewandelt. λ t Die Leistung eine Radionuklidbatteie wid mit de Fomel P( t) = P0 e (λ ist die Zefallskonstante des adioaktiven Päpaates) beechnet. 90 Eine mit 38 S betiebene Radionuklidbatteie besitzt die Anfangsleistung 90 P 0 = 50 W. Die Halbwetszeit von 38 S betägt T H = 28 Jahe. Emitteln Sie die Enegie in MWh, die eine mit in 10 Jahen liefet S betiebene Radionuklidbatteie 3. Das Vehalten von Mikoobjekten, zu denen auch Elektonen gehöen, lässt sich allein mit den klassischen Modellen Welle und Teilchen nicht bescheiben. a) Welche Hypothese stellte DE BROGLIE übe die Eigenschaften von Mikoobjekten auf? Elektonen, die mit de Spannung U = 12 kv beschleunigt weden, teffen auf einen Spalt de Beite x = 0,12 mm. b) Beechnen Sie die DE-BROGLIE-Wellenlänge de Elektonen. c) Begünden Sie kuz, waum in diesem Fall keine Beugungsescheinungen zu beobachten sind.

3 Abitu 2003 Physik Lk Seite 5 Wahlaufgaben A Es ist eine de Aufgaben A1 ode A2 zu lösen. Aufgabe A1 Pobleme aus de Mechanik mit Schüleexpeiment (15 BE) 1. Die unbekannte Masse eines Steins soll emittelt weden. Es stehen keine geeignete Waage, dafü abe folgende Geäte und Hilfsmittel zu Vefügung. ein Stein eine Schaubenfede 3 Hakenköpe bekannte Masse eine Stoppuh ein Lineal Stativmateial a) Eläuten Sie kuz Ih expeimentelles Vogehen. Gehen Sie dabei auch daauf ein, wie Sie vesuchen wollen, Messfehle zu minimieen. b) Emitteln Sie die Masse des Steins. Potokollieen Sie dazu Ihe Messungen. Fühen Sie eine Fehlebetachtung duch. 2. Die nachfolgende Dastellung (Abb. 2) zeigt den zeitlichen Velauf eine Schwingung. Abb. 2 a) Geben Sie eine konkete Gleichung an, mit de diese Schwingung beschieben weden kann. Emitteln Sie die dazu efodelichen Gößen aus de gafischen Dastellung. b) Beechnen Sie mit Hilfe de von Ihnen emittelten Gleichung die Elongation y zum Zeitpunkt t = 1,0 s.

4 Abitu 2003 Physik Lk Seite 6 Aufgabe A2 Kondensatoen (15 BE) 1.a) Die Platten eines Kondensatos haben eine Fläche von A = 1130 cm²; de Plattenabstand betägt d = 2,0 cm; das Dielektikum ist Luft. De Kondensato wid mit eine Gleichspannung von U = 800 V aufgeladen. Beechnen Sie die im elektischen Feld gespeichete Enegie. b) Die Spannungsquelle wid nun vom Kondensato abgetennt und zwischen die Platten ein Dielektikum (ε > 1) geschoben. Wie änden sich Ladung, Spannung sowie Kapazität des Kondensatos? Begünden Sie Ihe Aussagen. 2. Fü die Datenübetagung in lokalen Netzweken weden häufig Koaxialkabel (Abb. 3) vewendet. Hiebei handelt es sich um ein zylindefömiges Kabel, das aus a i einem Innenleite (tanspotiet das Datensignal), eine nicht leitenden Schicht Dielektikum (Dielektikum), eine elektischen Abschimung (Außenleite, Metallgeflecht) und Außenleite eine Außenisolieung besteht. Ein solches Kabel kann als zylindefömige Kondensato Innenleite Außenisolieung aufgefasst weden, wobei Innen- und Außenleite als Kondensatoflächen wiken. Abb. 3 a) Ein Koaxialkabel wid nun mit eine Gleichspannungsquelle U = 10 kv übe einen Widestand aufgeladen, so dass zwischen Innen- und Außenleite ein elektisches Feld entsteht. In de folgenden Tabelle ist die Ladestomstäke I(t) fü den Ladevogang dagestellt. t in s 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 I in µa 10 5,25 2,76 1,45 0,76 0,40 0,21 0,11 0,06 0,03 0,02 Stellen Sie die Ladestomstäke in einem I(t) Diagamm gaphisch da. Emitteln Sie die Ladung sowie die Kapazität des Kabels. b) Fü die elektische Feldstäke eines Zylindekondensatos gilt die Gleichung Q 1 E() =. Dabei ist de Abstand zwischen dem Mittelpunkt des 2π ε0 ε Innenleites und dem Außenleite. Fü die elektische Spannung in diesem Feld gilt U = a 2π ε0 ε E () d. Leiten Sie die Gleichung C = fü die Kapazität a i ln i eines Zylindekondensatos he. c) Beechnen Sie die Kapazität des in Aufgabe a) untesuchten Koaxialkabels (Länge = 1,0 m ; a = 3,0 mm; i = 0,50 mm; ε = 2,5) und schätzen Sie das expeimentelle Resultat ein.

5 Abitu 2003 Physik Lk Seite 7 Wahlaufgaben B Es ist eine de Aufgaben B1 ode B2 zu lösen. Aufgabe B1 Elektomagnetische Induktion (15 BE) 1. Eine Spule ist an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Gleichspannung wid ein- und ausgeschaltet. Mit einem Zweistahloszillogaphen weden de zeitliche Velauf von Spannung und Stomstäke an de Spule aufgezeichnet (Abb. 4). a) Odnen Sie den Kuven (1) und (2) die entspechende physikalische Göße zu. b) Ekläen Sie den zeitlichen Velauf von Spannung und Stomstäke. Abb.4 2. Eine sich auf einem Wagen befindende echteckige Rahmenspule wid mit konstante Geschwindigkeit duch ein äumlich schaf begenztes homogenes Magnetfeld gezogen (Abb. 5). Das Magnetfeld ist in x-richtung 15 cm beit. Die magnetischen Feldlinien velaufen senkecht zu Leiteschleifenebene. Die Spule besitzt 500 Windungen, ist a = 5,0 cm hoch und b = 10,0 cm beit. Sie wid mit v = 0,50 m s -1 duch das Magnetfeld de Stäke B = 250 mt gezogen. Abb. 5 a) Ekläen Sie, waum bei diesem Vogang Spannungen induziet weden. b) Beim Einteten de Spule in das magnetische Feld gilt fü die Induktionsspannung die Gleichung Ui = N B a v. Leiten Sie diese Gleichung he. c) Beechnen Sie den Betag de maximalen Spannung, die in de Spule induziet wid. d) Zeichnen Sie das U(x)-Diagamm vom Eintitt de Spule in das Magnetfeld bis zum vollständigen Velassen.

6 Abitu 2003 Physik Lk Seite 8 Aufgabe B2 Kenmodelle und ihe Anwendung (15 BE) 1. Zu Bescheibung von Atomkenen gibt es unteschiedliche Modelle. Eläuten Sie kuz die nebenstehende Abbildung (Abb. 6) als ein Beispiel dafü. Abb Die Enegie eines Potons in de Umgebung eines Atomkens lässt sich mit Hilfe 2 1 Z e de Gleichung Epot () = dastellen. 4π ε Leiten Sie diese Gleichung he Duch die nachfolgende Gleichung wid eine Möglichkeit de Spaltung eines Uan- Kens beschieben U + n K + Ba 3 n a) Eläuten Sie mit Hilfe des Töpfchenmodells den Vogang de Kenspaltung. b) Beechnen Sie übe den Massendefekt die Enegie in MeV, die bei de Spaltung des Uankens fei wid. Atommassen: m A (U-235) = 235,04394 u m A (K-90) = 89,91960 u m A (Ba-143) = 142,92055 u c) Schätzen Sie übe eine Rechnung die kinetische Enegie ab, die de K-90- und de Ba-143-Ken nu aufgund ihe elektostatischen Abstoßung bei diesem Spaltpozess eeichen können. Fü die Abschätzung des Radius eines Atomkens aus de Massenzahl gilt die 15 Gleichung = 1, 4 10 m 3 A. K 1 0

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