SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2007 PHYSIK (Grundkursniveau)

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1 PHYSIK (Grundkursniveau) Einlesezeit: Bearbeitungszeit: 30 Minuten 10 Minuten Aus jede Theenblock ist ein Thea auszuwählen und anzukreuzen. Gewählte Theen: Theenblock Grundlagen Thea G1 Untersuchungen zur relativistischen Massenzunahe Thea G Bewegungen in Gravitationsfeldern Theenblock Vertiefungen Thea V1 Wäreübertragung Thea V Zusaenhang zwischen Spektrallinien und Atoodellen (Theaaufgabe) Thea V3 Einschaltvorgang einer Glühlape Unterschrift des Prüflings: Seite 1 von 9

2 Thea G1: Untersuchungen zur relativistischen Massenzunahe 1 Dynaische Masse Ein wichtiges Ergebnis der speziellen Relativitätstheorie (SRT) Einsteins ist die relativistische Massenzunahe bewegter Körper. Stellen Sie in eine Diagra die Abhängigkeit von vo Verhältnis der Geschwindigkeiten c v i Intervall 0 c v Experient von Bucherer I Jahr 1908 entwickelte Bucherer eine Versuchsanordnung it de Ziel, die von Einstein in der SRT abgeleitete relativistische Massenzunahe experientell zu bestätigen. I Bild 1 ist der Aufbau der von Bucherer verwendeten Anordnung scheatisch dargestellt. Zwischen die Platten eines Plattenkondensators it der elektrischen Feldstärke E wird ein radioaktives Präparat P eingebracht, das Elektronen it einer Geschwindigkeit aussendet, die wesentlich größer als 0,1c ist. Der gesate Aufbau, der sich i Vakuu befindet, ist in ein hoogenes agnetisches Feld der Fluss- 0,9 dar. 0 dichte B eingebettet, so dass E B gilt. Die Versuchsanordnung garantiert, dass nur solche Elektronen aus de Kondensator austreten, die sich parallel zu dessen Platten bewegen. Die Elektronen, die die Blende passiert haben, werden i hoogenen Magnetfeld abgelenkt und auf de Schir registriert. Durch Wechsel der Feldrichtungen des elektrischen und agnetischen Feldes entstehen außerhalb des Kondensators spiegelbildliche Bahnen..1 Begründen Sie, dass nur Elektronen einer bestiten Geschwindigkeit den Kondensator parallel zu dessen Platten verlassen können. Erklären Sie den jeweiligen Verlauf der Bahn außerhalb des Kondensators.. Für die beschriebene Versuchsanordnung ergibt sich für die Bestiung der spezifischen Ladung folgende Gleichung: =. e E d B (s + d ) Berechnen Sie die spezifische Ladung und die Masse der Elektronen für folgende Messbedingungen: E = 7, V. -1 ; B = 3,0 T; s = 8,5 c; d = 4,5. Eritteln Sie die Geschwindigkeit der Elektronen und zeigen Sie, dass diese Messung die Massenzunahe nach der speziellen Relativitätstheorie bestätigt. P Blende s Schir d Bild 1 Seite von 9

3 .3 Die Untersuchung der Abhängigkeit der spezifischen Ladung von der Geschwindigkeit der Elektronen liefert folgende Ergebnisse: v c e in As kg 0,3 0,46 0,60 0,73 0,81 0,88 1,7 1,6 1,4 1, 1,1 0,8 Bestien Sie aus den Messergebnissen das jeweilige Verhältnis 0 in Abhängigkeit von c v und tragen Sie die Werte in das in Aufgabe 1 angefertigte Diagra ein. Vergleichen Sie die Werte it der theoretischen Kurve und bewerten Sie das Ergebnis hinsichtlich des Zieles des Experientes..4 Für schnelle Elektronen kann die spezifische Ladung unter Nutzung der Gleichung für die relativistische Massenzunahe in der folgenden For dargestellt werden: e = e v e + 0 c. 0 Die Gleichung zeigt, dass an e als lineare Funktion von v c darstellen kann. Dieser funktionale Zusaenhang kann in eine Diagra it der Ordinate und der Abszisse v c dargestellt werden. e Stellen Sie die Messwerte von Aufgabe.3 in eine solchen Diagra dar und erläutern Sie, dass der funktionale Verlauf der Messwerte eine weitere Bestätigung der relativistischen Massenzunahe zulässt. Seite 3 von 9

4 Thea G: Bewegungen in Gravitationsfeldern 1 Eigenschaften des Gravitationsfeldes Erläutern Sie den Feldbegriff anhand des Gravitationsfeldes. Gehen Sie dabei insbesondere auf die Entstehungsursache, die Beschreibungsöglichkeiten sowie die auf Probekörper wirkende Kraft ein. Bewegungen von Körpern in der Nähe der Erdoberfläche Alle Körper, die sich i Gravitationsfeld der Erde bewegen, unterliegen de Einfluss der Gravitation. Von der Bewegungsrichtung hängt es ab, in welcher Weise diese auf den Bewegungsablauf einwirkt. Den Diagraen I und II (Bild 1) liegen Bewegungen unter de Einfluss der Gravitation in y-richtung zugrunde. Die Reibung kann vernachlässigt und die Gravitationsfeldstärke als konstant betrachtet werden. I v II v t t Bild 1.1 Analysieren Sie die in den Diagraen dargestellten Bewegungen.. Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf der Graphen in y(t) - Diagraen, die zu den Bewegungen I und II gehören. 3 Bewegungen von Körpern in größerer Entfernung von der Erdoberfläche Das Erreichen größerer Entfernungen über der Erdoberfläche oder das Verlassen der Erde eröglichte erst die Raketentechnik. Ein zu lösendes Proble ist der Antrieb. Erläutern Sie ithilfe einer Skizze und des Ipulserhaltungssatzes die prinzipielle Funktionsweise des Antriebs einer einstufigen Rakete. Seite 4 von 9

5 4 Abhängigkeit der Zugkräfte an der geneigten Ebene von deren Neigungswinkel und der Reibungskraft (Schülerexperient) In dieser Aufgabe ist ein Experient durchzuführen und auszuwerten. Beantworten Sie dazu die Fragen zur Vorbetrachtung und führen Sie das Experient durch. Die Auswertung erfolgt nach den angegebenen Vorgaben. Fertigen Sie ein vollständiges Protokoll an. Auftrag: Untersuchen Sie an einer geneigten Ebene, bis zu welche Neigungswinkel α G sich eine Krafteinsparung bei Hinaufziehen eines Körpers gegenüber de senkrechten Anheben erreichen lässt. Vorbetrachtungen: 1 Zeigen Sie, dass für die Zugkraft F zug auf der geneigten Ebene die Beziehung F zug = F G (µ cos α + sin α) gilt. Berechnen Sie ithilfe dieser Gleichung die Zugkraft F zug in Abhängigkeit vo Neigungswinkel α für 0 α 90 in geeigneten Abständen. Zur Berechnung der Zugkräfte werden Ihnen die Gleitreibungszahl µ und die Gewichtskraft F G von der Lehrkraft itgeteilt. Stellen den Zusaenhang in eine F zug (α) - Diagra dar. Ablauf des Experientes: Ihnen wird die Experientieranordnung entsprechend Bild 3 zur Verfügung gestellt. Messen Sie für geeignete Anstiegswinkel α i Intervall 0 α 90 die Zugkraft F zug, die bei Hinaufziehen eines Holzquaders auf einer geneigten Ebene aufgewendet werden uss. F zug α Bild 3 Auswertung: 1 Zeichnen Sie in das F zug (α) - Diagra der Aufgabe der Vorbetrachtungen it Ihren Messwerten einen weiteren Graphen ein. Eritteln Sie anhand des Graphen, bis zu welche Neigungswinkel α G unter den gegebenen Bedingungen die Zugkraft F zug kleiner als die Gewichtskraft F G des Körpers ist. 3 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Seite 5 von 9

6 Thea V1: 1 Mischungsvorgänge Wäreübertragung Ein Kalorieter ist it Wasser der Masse = 300 g und der Teperatur ϑ W = 6 C gefüllt. Nun werden Eiswürfel it der Teperatur ϑ E hinzugegeben. In Abhängigkeit von der Masse des Eises E und der Teperatur ϑ E können sich nach de Einstellen des therischen Gleichgewichtes drei qualitativ verschiedene Endzustände ergeben. (Die Wärekapazität des Kalorieters kann vernachlässigt werden.) 1.1 Beschreiben Sie diese Zustände bezüglich der a Ende vorliegenden Aggregatzustände. Begründen Sie Ihre Aussagen. 1. Die Eiswürfel haben zu Beginn des Mischungsexperientes die Teperatur ϑ = 8 C. E Berechnen Sie die Masse der Eiswürfel, wenn sich die Mischungsteperatur ϑ = 1 C einstellen soll. Hinweis: c Eis Abkühlvorgänge =,09 kj kg 1 K 1 Für das Abkühlen einer Flüssigkeit wurde von Newton u 1700 der Zusaenhang k t ϑ(t) = ϑu + ( ϑa ϑu ) e gefunden. Die Ugebungsteperatur ϑ U, die Anfangsteperatur ϑ und die Konstante k bestien den exponentiellen Zusaenhang. A.1 Beschreiben Sie, welchen Einfluss die Größe von k auf den Abkühlvorgang hat. Nennen Sie zwei Faktoren, die die Konstante k beeinflussen.. Eine Tasse ist it heiße Kaffee gefüllt. Die Teperatur ϑ des Kaffees wird in Abhängigkeit von der Zeit t geessen. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse dargestellt. Die Ugebungsteperatur beträgt ϑ = 0 C. t in s ϑ in C 85,0 74,8 66,3 59,0 5,9 47,8 43,4 39,8 U Überprüfen Sie ithilfe von zwei Messwertpaaren aus der Wertetabelle, dass für dieses 1 Experient gilt: k 1, = s. Eritteln Sie die Zeit, nach der sich die Flüssigkeit auf 5 C abgekühlt hat. Seite 6 von 9

7 Thea V: Zusaenhang zwischen Spektrallinien und Atoodellen (Theaaufgabe) Bringt an Gase zu Leuchten entstehen charakteristische Spektren. Anfang des 0. Jahrhunderts verutete an, dass zwischen der Eission und der Absorption von Licht und de atoaren Aufbau dieser Gase ein Zusaenhang besteht. 19 erhielt Niels Bohr für seine Verdienste u die Erforschung der Struktur der Atoe und der von ihnen ausgehenden Strahlung den Nobelpreis für Physik. Stellen Sie in einer sprachlich geschlossenen und zusaenhängenden For die wechselseitige Beeinflussung von Modell und Experient, Theorie und Praxis a Beispiel der Entwicklung der Vorstellungen über den Atobau her. Gehen Sie dabei auf die folgenden Schwerpunkte ein: - Streuversuch von Rutherford, - Atoodell von Rutherford Leistungen und Grenzen, - Eissionsspektren, - Atoodell von Bohr Leistungen und Grenzen. Bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung kann nachfolgendes Material verwendet werden. Material: Spektrallinien von atoare Wasserstoff und Neon Wasserstoff Neon λ in n Seite 7 von 9

8 Thea V3: Einschaltvorgang einer Glühlape Bei einer Glühlape wird ein fester Stoff durch elektrischen Stro so hoch erhitzt, dass er sichtbares Licht aussendet. Die Lichtintensität soll besonders groß sein. U das dafür nötige weiße Licht zu erhalten, uss die Schelzteperatur des Drahtes öglichst hoch sein. Wolfralegierungen it ϑ S > 3000 C erfüllen diese Forderung. Dennoch begrenzt an i Dauerbetrieb die Drahtteperaturen auf etwa 700 C, u eine durchschnittliche Lebensdauer von 1000 Stunden zu erreichen. Eine Glühlape geht oftals direkt nach de Einschalten kaputt. Nachfolgend soll it einer Messreihe untersucht werden, waru gerade der Einschaltvorgang die Glühwendel so stark belastet, dass sie reißt. Versuchsdurchführung Mit eine Messsyste werden die Strostärke und der Widerstand einer Glühlape (3,5 V / 0, A) geessen. Dait kann der Einschaltvorgang elektronisch sicher erfasst werden. Messwerte Tabelle 1 enthält einen Auszug der vollständigen Messtabelle. Messung Nr. t in s I in A R in Ω 10 0,009 0,10, ,010 0,90,3 1 0,011 0,414, ,01 0,543, ,013 0,65 3, ,014 0,65 3, ,016 0,633 4, ,018 0,600 5,0 1 0,00 0,460 7, , ,4 41 0,040 0,40 14,0 51 0,050 0,13 15,7 61 0,060 0,06 16,3 81 0,080 0,05 16, ,100 0,05 16,6 Tabelle 1 Seite 8 von 9

9 Aufgaben 1 Zeichnen Sie das I(t) - und das R(t) - Diagra über den gesaten Messbereich it ausgewählten Messwerten. Beschreiben Sie den Verlauf der Graphen. Interpretieren Sie das I(t) - Diagra. Die Abhängigkeit des Widerstandes von der Teperatur kann it der Gleichung R = R 0 (1 + α ϑ) beschrieben werden. Bestien Sie dait den Teperaturzuwachs des Glühfadens zwischen t 1 = 0,010 s und t = 0,100 s, wenn der Koeffizient α = 0,0048 K -1 beträgt. 3 Begründen Sie ithilfe der Messergebnisse bzw. der Diagrae, waru Glühlapen insbesondere bei Einschalten so stark belastet werden. Berücksichtigen Sie dabei, dass durch die Herstellung und den Betrieb geringfügige Einschnürungen an einzelnen Stellen des Drahtes vorhanden sind. Betrachten Sie dabei den Draht als Reihenschaltung ehrerer Widerstände (Bild 1). Bild 1 Seite 9 von 9