Schriftliche Abiturprüfung Grundkursfach Physik - E R S T T E R M I N -

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2005/06 Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Grundkursfach Physik - E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 210 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 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 1 von 6

2 Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Prüfungsinhalt Teil A: Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 An der Haltelinie einer Kreuzung stehen zwei Pkw nebeneinander. Beide Fahrzeuge beginnen gleichzeitig zu beschleunigen: 2 Pkw 1 mit der konstanten Beschleunigung 2,0 m s, 2 Pkw 2 auf der Überholspur mit der konstanten Beschleunigung 3,0 m s. Die Beschleunigungsphase endet jeweils beim Erreichen der Geschwindigkeit 1 50 km h, danach fahren beide Pkw gleichförmig weiter. 1.1 Berechnen Sie die Zeit, die Pkw 2 zum Beschleunigen benötigt und den in dieser Zeit zurückgelegten Weg. 1.2 Skizzieren Sie qualitativ für beide Pkw die Graphen von s (t) in ein und dasselbe und die beiden Graphen von v (t) in ein weiteres Koordinatensystem. Kennzeichnen Sie im v(t) -Diagramm die Zeitpunkte, zu denen die Fahrzeuge 1 jeweils die Geschwindigkeit 50 km h erreichen. 1.3 Nachdem beide Pkw mehr als 100 m von der Haltelinie aus zurückgelegt haben, fahren sie hintereinander in der gleichen Fahrspur. Weisen Sie nach, dass deren Abstand mindestens 10 m beträgt. Die Länge der Pkw beträgt jeweils 4,0 m. 1.4 Beim Beschleunigen spüren die Insassen eines Pkw, dass sie nach hinten, und beim Durchfahren einer Rechtskurve, dass sie nach links gedrückt werden. Begründen Sie beide Erscheinungen jeweils mit Hilfe von Newton schen Gesetzen. 2 Um Fahrzeuge, die bei Rot eine Ampelkreuzung befahren, fotografisch zu erfassen, ist zwischen Haltelinie und Kreuzungsmitte in den Straßenbelag eine rechteckige Drahtspule eingelassen. Diese Spule ist Bestandteil eines Schwingkreises, der von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen wird. 2.1 Erläutern Sie die Vorgänge, die während einer halben Schwingungsperiode in einem Schwingkreis ablaufen (Energieumwandlungen, Feldänderungen, Änderungen von Spannung und Stromstärke). Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 2 von 6

3 2.2 Geben Sie an, wie sich eine Verringerung der Induktivität der Schwingkreisspule auf die Frequenz der Schwingungen auswirkt. Begründen Sie. 2.3 Begründen Sie, dass dem Schwingkreis ständig Energie zugeführt werden muss, damit ungedämpfte Schwingungen entstehen. 2.4 Fährt ein Fahrzeug über die Drahtspule, so werden in dessen Metallteilen Wirbelströme induziert. Geben Sie eine Energieumwandlung an, die sich dadurch zusätzlich ergibt. Erreichbare BE-Anzahl: 1 Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Teil B: Aufgabe B: Kernphysik / Thermodynamik 1 Kernreaktionen 1.1 Skizzieren Sie den Graphen, der die Abhängigkeit der Bindungsenergie pro Nukleon von der Massenzahl beschreibt. Nennen Sie die beiden wesentlichen Kernreaktionen, die zur Energiegewinnung genutzt werden können. Kennzeichnen Sie im Diagramm zugehörige Bereiche der Massenzahlen. 1.2 Zwei Protonen und zwei Neutronen fusionieren zu einem Atomkern des Isotops He-4. Geben Sie die Reaktionsgleichung unter Angabe der Kernladungs- und Massenzahlen an. Weisen Sie durch Rechnung nach, dass bei diesem Prozess 12 pro Nukleon eine Energie von ca. 1,1 10 J frei wird. 27 Kernmassen: m = 1, kg m m Proton Neutron Helium = 1, = 6, kg kg 1.3 Im Heliumkern wirken Kernkräfte und Coulombkräfte. Vergleichen Sie deren Stärke und Reichweite. Begründen Sie, dass sich zwei Protonen mit großen Geschwindigkeiten aufeinander zu bewegen müssen, damit sie verschmelzen können. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 3 von 6

4 1.4 Bei einer Kernreaktion werden γ -Quanten der Energie 3,5 10 J freigesetzt. Berechnen Sie deren Frequenz Bei der Fahrt eines Heißluftballons herrschen folgende Bedingungen: 3 Volumen der von der Ballonhülle eingeschlossenen Heißluft V = 3000 m, Temperatur der heißen Luft in der Ballonhülle ϑ i = 100 C, Temperatur der kalten Luft in der Ballonumgebung ϑ a = 20 C, Luftdruck in der Ballonhülle und in der Ballonumgebung p = 0,11MPa, Masse von Ballonhülle, Ballonkorb und technischen Einrichtungen m B = 400 kg. 2.1 Berechnen Sie die Masse der in der Ballonhülle befindlichen heißen Luft. 1 Spezifische Gaskonstante von Luft: 1 R = 0,287 kj kg K. 2.2 Schwebt der Ballon bei Ballonfahrt in konstanter Höhe, dann ist nach dem Prinzip von Archimedes die Masse der vom Ballon verdrängten kalten Luft gleich der Summe aus m B und der Masse der Nutzlast (Passagiere) m N und der Masse der heißen Luft. p V 1 1 Es gilt die Gleichung: = mb + mn R Ta T i Leiten Sie diese Gleichung her. Geben Sie die Masse m N an. 2.3 Die Nutzlast des Ballons wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Temperatur der kalten Luft in C Flughöhe in m Masse m N der Nutzlast in kg Formulieren Sie in Form von zwei Je-desto-Aussagen, wie Flughöhe und Temperatur die Nutzlast beeinflussen. Begründen Sie die Aussagen. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 4 von 6

5 Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Mechanik Untersuchen Sie die Energieumwandlungen, die beim zentralen geraden Stoß zwischen dem Pendelkörper eines Fadenpendels und einer Stahlkugel stattfinden. Der Stoß wird als vollkommen elastisch betrachtet. Der Pendelkörper des Fadenpendels wird um die Höhe h ausgelenkt. Mit Hilfe eines Anschlags wird die Auslenkhöhe festgelegt. Nach dem Loslassen stößt der Pendelkörper in der Gleichgewichtslage die Kugel, die dadurch einen Impuls in waagerechter Richtung erhält. Der Auftreffpunkt der Kugel auf der Tischplatte soll durch einen Abdruck von Kohlepapier auf einem weißen Zeichenblatt sichtbar gemacht werden. y h Anschlag Die Experimentieranordnung wird Ihnen vollständig aufgebaut übergeben. x 1 Bestimmen Sie die Masse des Pendelkörpers, die Masse der Kugel und die Abwurfhöhe y der Kugel. 2 Messen Sie für die Auslenkhöhe h = 2,0 cm des Pendelkörpers die Wurfweite x der Kugel. Wiederholen Sie das Experiment mehrmals und bilden Sie den Mittelwert der gemessenen Wurfweiten. 3 Leiten Sie eine Gleichung her, mit der sich die Abwurfgeschwindigkeit aus der Wurfweite berechnen lässt. Berechnen Sie die Abwurfgeschwindigkeit für den in Aufgabe 2 gebildeten Mittelwert. 4 Beschreiben Sie die vom Moment des Loslassens des Pendelkörpers bis zum Auftreffen der Kugel ablaufenden Energieumwandlungen und Energieübertragungen. 5 Berechnen Sie unter Verwendung der Ergebnisse der Aufgaben 1 bis 3 den Prozentsatz der mechanischen Energie des Pendelkörpers, der durch den Stoß auf die Kugel übertragen wurde. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 5 von 6

6 Aufgabe C 2: Elektrizitätslehre Führen Sie, unter Nutzung einer Wechselspannungsquelle, Messungen und Berechnungen an einer Glühlampe und einem Transformator durch. Planen Sie die Experimente gemäß der folgenden Aufgabenstellungen und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. 1 Nehmen Sie für die Glühlampe im Intervall 0 V U 6 V fünf I(U) Messwertpaare auf. Die Betriebsspannung der Glühlampe beträgt 6 V. Skizzieren Sie den elektrischen Schaltplan der Experimentieranordnung. Zeichnen Sie den Graphen der Funktion I (U ). Erreichbare BE-Anzahl: 5 2 Begründen Sie den Verlauf des Graphen. 3 Für weitere Experimente steht jetzt nur noch eine Spannungsquelle mit 12 V Wechselspannung zur Verfügung. Um die Glühlampe näherungsweise bei Betriebsspannung zu betreiben, soll ein Transformator aufgebaut werden. 3.1 Beschreiben Sie den Aufbau und erklären Sie die Wirkungsweise eines Transformators. 3.2 Ihnen stehen am Arbeitsplatz zum Aufbau des Transformators Spulen verschiedener Windungszahlen zur Verfügung. Wählen Sie eine mögliche Windungszahlkombination N ; ) aus und teilen Sie diese dem Lehrer mit. ( 1 N2 3.3 Bauen Sie den Transformator auf. Erreichbare BE-Anzahl: 1 Schalten Sie die Glühlampe in den Sekundärstromkreis und stellen Sie die Primärspannung 12 V ein. Messen Sie im Sekundärstromkreis die Stromstärke und die Spannung. Ermitteln Sie aus den Messwerten die aufgenommene elektrische Leistung der Glühlampe. Skizzieren Sie den elektrischen Schaltplan der Experimentieranordnung. Signatur 56/1 (Phys-GK-ET/Ma) Seite 6 von 6