Abschlussprüfung 2015 an den Realschulen in Bayern

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1 Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Nachtermin Elektrizitätslehre I C In einem Experiment wird für zwei jeweils 0,75 m lange Leiter aus Wolfram und Manganin die Stromstärke I in Abhängigkeit von der Spannung U untersucht. Es ergeben sich folgende Messwerte: U in V 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Wolfram I in A 0 1,3 2,1 2,7 3,1 3,3 3,4 Manganin I in A 0 0,30 0,63 0,88 1,3 1,6 1, Fertigen Sie für diesen Versuch eine Schaltskizze an Werten Sie die beiden Messreihen in einem Diagramm aus Erklären Sie mithilfe des Teilchenmodells den Verlauf des Graphen für den untersuchten Wolframdraht Der Manganindraht hat eine Querschnittsfläche von 0,10 mm 2. Berechnen Sie mithilfe des Diagramms aus den spezifischen Widerstand von Manganin Zeichnen Sie in das Diagramm zu den Graph für einen 1,5 m langen Manganindraht ein, der ebenfalls eine Querschnittsfläche von 0,10 mm 2 besitzt Bei Hochspannungsfreileitungen kommen häufig kombinierte Aluminium-Stahl-Seile zum Einsatz, wobei das Stahlseil (Fe) im Inneren zusätzlich die mechanische Festigkeit erhöht. Ein 5,0 km langer abelstrang soll so wie im nebenstehenden Bild aus einem Stahlseil (R Fe = 0,56 kω) mit sechs gleichen Aluminiumadern bestehen. Jeder der sechs Aluminiumleiter hat eine Querschnittsfläche von 0,90 mm 2. schematische Darstellung des Leiterquerschnitts Zeigen Sie durch Rechnung, dass der Widerstandswert einer einzelnen Aluminiumader 0,15 kω beträgt Berechnen Sie den Wert des elektrischen Widerstands des kompletten abelstrangs.

2 Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Nachtermin Elektrizitätslehre II C In Windkraftanlagen wird die Bewegungsenergie des Windes mithilfe von Innenpolgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt Fertigen Sie eine Skizze eines einfachen Innenpolgenerators an und beschreiben Sie dessen prinzipielle Funktionsweise Beschreiben Sie zwei Vorteile eines Innenpolgenerators im Vergleich zu einem Außenpolgenerator Beim Betrieb eines Generators treten stets unerwünschte Umwandlungen in thermische Energie auf. Geben Sie hierfür zwei Ursachen an und beschreiben Sie, durch welche bauliche Maßnahmen diese möglichst gering gehalten werden Im Offshore Windpark Riffgat in der Nordsee sind 30 Generatoren mit jeweils einer maximalen Leistung von 3,6 MW im Einsatz. Diese sind über eine 33 kv-leitung an ein Umspannwerk angeschlossen. Hier wird mithilfe eines Transformators ( = 0,95) die Spannung auf 155 kv hochtransformiert. Die elektrische Energie wird über eine Fernleitung (Seekabel mit R = 1,15 ) bis zum Netzeinspeisepunkt Emden transportiert Berechnen Sie die Primärstromstärke des Transformators im Umspannwerk, wenn alle Generatoren ihre maximale Leistung abgeben Berechnen Sie die in der Fernleitung nicht nutzbare thermische Leistung.

3 Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Nachtermin Atom- und ernphysik C3 3.0 Der α-strahler Radon Rn-220 kommt als radioaktives Zerfallsprodukt vermehrt in Gebieten mit hohem Thoriumgehalt im Boden vor und kann aus dem Erdreich in ellerräume eindringen. 3.1 Beschreiben Sie den Aufbau des radioaktiven Isotops Rn Worin unterscheiden sich Isotope eines Elements? 3.3 Radon Rn-220 zerfällt in mehreren Schritten in Blei Pb-208. Berechnen Sie jeweils die Anzahl der α- und β-zerfälle. 3.4 In einem Experiment wird in einer Probe der Zerfall von Rn-220 untersucht. Es ergeben sich die um den Nulleffekt korrigierten Messwerte A(t) in Abhängigkeit von der Zeit t: t in s A(t) in Bq Werten Sie die Messreihe graphisch aus. 3.5 Ermitteln Sie anhand Ihres Diagramms zu 3.4 die Halbwertszeit von Rn-220 und bestätigen Sie diesen Wert durch Rechnung mithilfe eines Messwertepaars. 3.6 Nennen Sie zwei Ursachen für den Nulleffekt. 3.7 Geben Sie die beiden prinzipiellen Schädigungen beim Menschen durch radioaktive Strahlung an und nennen Sie jeweils ein Beispiel.

4 Gesamtprüfungsdauer 120 Minuten Nachtermin Energie C4 4.0 Ein neuartiger Energiespeicher soll prinzipiell folgendermaßen funktionieren: Ein unterirdischer Schacht mit kreisförmigem Querschnitt ist mit Wasser gefüllt. In ihm befindet sich ein passgenauer Betonzylinder, der die Hälfte der Schachthöhe einnimmt und sich nach oben und unten bewegen kann. Soll elektrische Energie gespeichert werden, wird das Wasser nach unten gepumpt und damit der Betonzylinder gehoben (Phase 1). Zeichnung nicht maßstabsgetreu Phase 1: Pumpbetrieb Phase 2: Generatorbetrieb 4.1 Beschreiben Sie die Vorgänge in Phase Geben Sie die in Phase 2 stattfindenden Energieumwandlungen an. 4.3 Zu Spitzenlastzeiten kann dieses Speicherkraftwerk 30 Minuten lang eine elektrische Leistung von 1,7 MW dem Stromnetz zur Verfügung stellen. Berechnen Sie den Wirkungsgrad, wenn zum Hochpumpen des Betonzylinders 3,8 GJ elektrischer Energie zugeführt werden müssen. 4.4 Begründen Sie mit zwei Argumenten, warum dieser raftwerkstyp sinnvoll sein kann. 4.5 Dieses Speicherkraftwerk soll ein Gaskraftwerk ersetzen. Berechnen Sie das Erdgasvolumen, das von einem Gaskraftwerk ( = 0,60) verbrannt werden muss, damit eine Nutzenergie von 3,1 GJ zur Verfügung steht. Heizwert des Erdgases: 38 MJ m 3

5 Lösungsvorschlag Nachtermin Elektrizitätslehre I C1 Lösungen entsprechend dem Unterricht Schaltskizze: graphische Auswertung: Erklärung: Die Erhöhung der Spannung bewirkt, dass an den Leitungselektronen eine größere elektrische Arbeit verrichtet wird und damit ihre Driftgeschwindigkeit steigt. Die Leitungselektronen übertragen durch Wechselwirkungen mit den um ihre Gitterplätze schwingenden Atomrümpfen mehr Energie auf diese. Diese Energiezufuhr bewirkt, dass die Schwingungen der Atomrümpfe stärker werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Leitungselektronen und den Atomrümpfen werden damit zahlreicher (wegen der Temperaturerhöhung) und stärker (wegen der Erhöhung der Spannung). Die Driftbewegung der Elektronen wird stärker behindert. Somit nimmt die Stromstärke mit steigender Spannung weniger stark zu aus dem Diagramm entnommene Werte, z. B.: U = 5,0 V; I = 1,6 A R = U I ϱ = R A l R = 5,0 V 1,6 A ϱ = 3,1 Ω 0,10 mm2 0,75 m R = 3,1 Ω ϱ = 0,41 Ω mm2 m siehe Diagramm zu (Folgendes ist bei der Bewertung zu beachten: Ursprungsstrecke, deren Steigung halb so groß ist wie die des Graphen für den Manganindraht) E R = ϱ l A R = 0,027 Ω mm2 m 5,0 103 m 0,90 mm 2 R = 0,15 kω Widerstand aller sechs Aluminiumadern (sechsfacher Leiterquerschnitt): R Al = 1 6 R R Al = 1 6 0,15 kω R Al = 25 Ω Parallelschaltung der Aluminiumadern mit dem Stahlkern: 1 = = 1 R ges R Al R Fe R ges 25 Ω + 1 0,56 kω R ges = 24 Ω

6 Lösungsvorschlag Nachtermin Elektrizitätslehre II C2 Lösungen entsprechend dem Unterricht Skizze: Funktionsweise: Rotation eines Magneten zwischen den feststehenden Induktionsspulen zeitliche Änderung des von den Induktionsspulen umfassten Magnetfelds Entstehung von Induktionsspannung, deren Betrag und Richtung sich periodisch ändern (Wechselspannung) Vorteile: Die Induktionsspulen beim Innenpolgenerator werden nicht bewegt, sie können also sehr große Massen haben. Demzufolge können sie eine sehr hohe Windungszahl besitzen (höhere Induktionsspannung). Es können Leiter mit größerer Querschnittsfläche verwendet werden (höherer Induktionsstrom). Zum Abgriff der Induktionsspannung benötigt man keine Schleifbürsten wie beim Außenpolgenerator Ursachen bauliche Maßnahmen Erwärmung der Weicheisenkerne infolge von Wirbelströmen Verwendung von geblätterten Weicheisenkernen Erwärmung der Spulendrähte durch Stromfluss (ohmscher Widerstand) Verwendung von Drähten mit größerer Querschnittsfläche I p = P p U p I p = 30 3,6 MW 33 kv I p = 3,3 ka P s = η P p P s = 0, ,6 MW P s = 0,10 GW I s = P s U s I s = 0,10 GW 155 kv I s = 0,65 ka P th = R I 2 P th = 1,15 Ω (0,65 ka) 2 P th = 0,49 MW

7 Lösungsvorschlag Nachtermin Atom- und ernphysik C3 Lösungen entsprechend dem Unterricht 3.1 Es befinden sich 86 Protonen und 134 Neutronen im ern. In der Hülle befinden sich 86 Elektronen. 3.2 Sie unterscheiden sich in der Neutronenzahl im ern. 3.3 Abnahme der Nukleonenzahl: = 12 Anzahl der α-zerfälle: 12 : 4 = 3 Bei drei α-zerfällen nimmt die ernladungszahl um 3 2 = 6 ab. Da die ernladungszahl um 4 abnimmt, ist die Anzahl der β-zerfälle: 6 4 = graphische Auswertung: 3.5 im Rahmen der Zeichengenauigkeit: T = 56 s E Bestätigung durch Rechnung, z. B.: T = t log 0,5 A(t) A 0 T = 135 s log 0,5 94 Bq 500 Bq T = 56 s 3.6 Ursachen: kosmische Strahlung terrestrische Strahlung 3.7 somatische Schäden: z. B. Lungenkrebs genetische Schäden: z. B. Missbildungen bei den Nachkommen

8 Lösungsvorschlag Nachtermin Energie C4 Lösungen entsprechend dem Unterricht 4.1 Beschreibung: Der Betonzylinder sinkt ab. Das Wasser wird durch eine Turbine geleitet, die mit einem Generator gekoppelt ist. 4.2 Energieumwandlungskette: E pot., Betonzyl. Absinken des Betonzylinders E mech., Wasser Turbine E Rot. Generator E elektr. 4.3 E nutz = P nutz t E nutz = 1,7 MW s E nutz = 3,1 GJ E η = E nutz E zu η = 3,1 GJ 3,8 GJ η = 0, Argumente: Das Landschaftsbild wird kaum verändert. Der Standort ist nicht an eine Höhendifferenz in der Landschaft gebunden. Die zu bestimmten Zeiten überschüssige elektrische Energie (z. B. aus Windparks oder Photovoltaikanlagen) wird zwischengespeichert für Zeiten, in denen diese Energieträger nicht zur Verfügung stehen. B 4.5 E zu = E nutz η E zu = 3,1 GJ 0,60 E zu = 5,2 GJ E eingespartes Erdgasvolumen: V = 5,2 GJ 38 MJ m 3 V = m 3