Prüfung zum mittleren Bildungsabschluss Schriftliche Prüfung für Nichtschüler und Nichtschülerinnen

Transkript

1 Prüfung zum mittleren Bildungsabschluss 2007 für Nichtschüler und Nichtschülerinnen Physik Name: Klasse: Die Aufgabenblätter sind Bestandteil der Prüfungsarbeit und müssen mit Ihrem Namen versehen werden.

2 Fach: Physik Sie müssen zwischen zwei Aufgabengruppen wählen. Damit Ihnen die Entscheidung leichter fällt, finden Sie hier eine Themenübersicht. Aufgabengruppe A Aufgabe...Thema Wärmelehre (Kalorik) Elektrizitätslehre Mechanik Optik Aufgabengruppe B Aufgabe...Thema Elektrizitätslehre Optik Mechanik Lesen Sie nun beide Aufgabengruppen gründlich durch, entscheiden Sie sich für eine und legen Sie die andere weg.

3 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 3 von 30 Aufgabengruppe A Wärmelehre (Kalorik) Aufgabe 1 4 Punkte a) In einem tiefen See beobachtet man im Sommer die dargestellte Temperaturverteilung. Ergänzen Sie die folgende Skizze 2 so, dass die Temperaturverteilung für den Winter zu erkennen ist Seeoberfläche wärmeres Wasser kälteres Wasser Seegrund Skizze 1: See im Sommer Seeoberfläche Wasser mit weniger als 4 C Wasser mit 4 C Seegrund Skizze 2: See im Winter b) Warum sammelt sich am Boden des Sees kaltes Wasser von 4 C? c) Wie nennt man diese Erscheinung?

4 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 4 von 30 Aufgabe 2 5 Punkte Auf den Bildern A bis D sind die drei Aggregatzustände im Teilchenmodell dargestellt. a) Nennen Sie die Aggregatzustände b) Die Teilchen (Atome oder Moleküle) sind in allen drei Aggregatzuständen in ständiger Bewegung. Wovon ist die Geschwindigkeit dieser Bewegung abhängig? Erklären Sie.

5 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 5 von 30 Aufgabe 3 5,5 Punkte Das Energieumwandlungsdiagramm links gehört zu einer Taschenlampe. Zeichnen Sie ein entsprechendes Diagramm für folgende Situation: Eine Windkraftanlage, die nicht am öffentlichen Stromnetz angeschlossen ist, versorgt direkt ein Hausstromnetz. Die Energie soll für den Betrieb eines Föhns verwendet werden. Beschriften Sie die Umwandlungsvorgänge so wie in der Skizze links.

6 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 6 von 30 Aufgabe 4 5 Punkte Bei einer Zaubervorführung in der Schule soll ein gekochtes und geschältes Ei unversehrt in eine leere Glasflasche gelangen. Der zaubernde Schüler benutzt einen brennenden Papierstreifen (Fidibus), der mit einer brennbaren Flüssigkeit getränkt wurde. a) Beschreiben Sie, was nacheinander getan werden muss, damit das Zauberkunststück gelingt (Versuchsablauf). Notieren Sie, was man beobachten kann. Versuchsablauf: Beobachtungen: b) Erklären Sie, warum das Ei in die Glasflasche gelangt.

7 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 7 von 30 Aufgabe 5 2 Punkte William Thomson ( ), der spätere Lord Kelvin, wurde in Belfast in Nordirland geboren. Seine Mutter starb, als er sechs Jahre alt war. Sein Vater zog ihn und die Geschwister allein auf und er unterrichtete diese auch selbst. William hat nie eine Schule besucht. Als sein Vater in Glasgow Mathematikprofessor wurde, hat er seinen zehnjährigen Sohn an der Universität einschreiben lassen. William Thomson wurde mit 22 Jahren Professor an der Universität Glasgow. Er untersuchte unter anderem auch das Verhalten von Gasen bei Erwärmung und Abkühlung. Dabei fand er heraus, dass es eine Temperatur gibt, die nicht unterschritten werden kann. Aus dieser Beobachtung entstand die später nach ihm benannte Kelvin-Skala. a) Geben Sie an, wie viel Grad nach der Kelvin-Skala 20 C sind. b) Warum gibt es keine Thermometer, die Temperaturen bis 300 C messen können? Aufgabe 6 3 Punkte Die beiden Metallstreifen aus Kupfer und Nickel im Bild links sind so zusammengenietet, dass sie sich nicht gegeneinander verschieben können. Wenn die Kerze eine Zeit lang brennt, biegt sich der doppelte Streifen nach unten. a) Erklären Sie dieses Verhalten. b) Nennen Sie ein Gerät aus dem Haushalt, bei dem dieses Verhalten zweier unterschiedlicher Metalle genutzt wird.

8 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 8 von 30 Aufgabe 7 5,5 Punkte a) Ergänzen Sie die fehlenden Fachbegriffe in den Pfeilen und unter den Kerzen. b) Füllen Sie die Lücken aus. Wird ein Körper erwärmt, dann steigt seine Energie an. Die innere Energie ist die Summe der Bewegungsenergien aller. Je diese Energie eines festen Körpers und je höher damit seine wird, desto schwingen die Teilchen um ihre Ruhelage. Dies hat zur Folge, dass sich das Volumen des Körpers. Wenn man die Temperatur dieses Festkörpers noch weiter erhöht, dann ändert sich schließlich sein. Aufgabe 8 4 Punkte a) Vervollständigen Sie den nachstehenden Satz: Um bei der dreifachen Wassermenge eine doppelt so große Temperaturerhöhung zu erreichen, muss man die fache Energiemenge zuführen.

9 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 9 von 30 b) Wie viel Energie ist nötig, um 1 kg Wasser um 40 K zu erwärmen? Für Wasser gilt c = 4186 J. kg K c) Erklären Sie, aus welchem physikalischen Grund Wasser als Kühlmittel gut geeignet ist? Elektrizitätslehre Aufgabe 9 6 Punkte Ein Gedankenexperiment: An eine Spannungsquelle sind drei Glühlampen angeschlossen. a) Nachdem der Stromkreis geschlossen wird, leuchten alle drei Lampen gleich hell. Nun wird eine Lampe aus der Fassung gedreht. Sie erlischt. Die beiden übrigen Lämpchen leuchten unverändert weiter. Um welche Schaltungsart muss es sich hier handeln? b) Die Anordnung der drei Lampen wird nun verändert. Sie beobachten, dass alle Lämpchen nun gleich hell leuchten, aber deutlich schwächer als in der Schaltung aus Aufgabe a). Um welche Schaltungsart handelt es sich diesmal?

10 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 10 von 30 c) Berechnen Sie den Gesamtstrom für die Parallelschaltung dreier Lampen (5 V/3 W). Aufgabe 10 6 Punkte Die in einem Kraftwerk erzeugte elektrische Energie muss häufig mit Hilfe von Überlandleitungen über weite Entfernungen transportiert werden, bis sie von einem Privathaushalt genutzt werden kann. Zwischen dem Kabel, das das Kraftwerk verlässt und unserem Hausstromanschluss sind mehrere Transformatorstationen mit unterschiedlichen Aufgaben geschaltet. a) Erklären Sie, warum zwei Arten von Transformatoren für diese Energieübertragung verwendet werden? b) Üblicherweise werden alle Stromleitungen aus einer oder aus mehreren Straßen zusammen in einem Trafohäuschen zusammengeführt. Skizzieren Sie einen solchen Trafo. Es muss erkennbar sein, welche Seite die elektrische Energie aufnimmt und welche Seite sie abgibt. Außerdem muss vermerkt sein, welche Seite mehr oder weniger Windungen aufweisen muss.

11 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 11 von 30 c) Nennen sie eine weitere Anwendungsmöglichkeit für Trafos. Aufgabe 11 6 Punkte Auf dem Bild sehen Sie ein Vielfachmessgerät. a) Welche beiden elektrischen Größen lassen sich direkt messen? b) Zeichnen Sie je einen Schaltplan für die Messung dieser Größen. Setzen Sie als Verbraucher eine Glühlampe ein. c) Füllen Sie die Tabelle vollständig aus. Messbereich Zeigerstellung Messwert 6000 ma V~ 0,45 0,6 V 0,6 V 600 mv 4,8

12 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 12 von 30 Mechanik Aufgabe 12 7 Punkte Mit Hilfe eines Flaschenzuges, der zwei lose Rollen hat, soll innerhalb einer Minute eine Last von 100 N um 10 m angehoben werden. Die Gewichtskraft der losen Rollen soll dabei vernachlässigt werden. a) Zeichnen Sie den Flaschenzug. b) Wie groß muss die Zugkraft F Zug am Seilende sein? c) Berechnen Sie die mechanische Arbeit W Zug, die beim Ziehen am Seil verrichtet werden muss.

13 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 13 von 30 d) Berechnen Sie die mechanische Leistung. Aufgabe 13 5 Punkte Für ein Modellfahrzeug wurden folgende Werte ermittelt: Weg s [m] Zeit t [s] a) Zeichnen Sie mit Hilfe dieser Wertepaare das Weg-Zeit-Diagramm.

14 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 14 von 30 b) Berechnen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs? Optik Aufgabe 14 7 Punkte In einem Versuch wird eine Sammellinse mit einer Brennweite von 2 cm in einem Abstand von 4 cm vor eine brennende Kerze gestellt, wie es in der Skizze unten zu sehen ist. a) Ergänzen Sie in der Skizze die folgenden Informationen: Brennpunkte, Gegenstandsweite, Gegenstandsgröße b) Konstruieren Sie in der Skizze das Bild der Kerze auf einem Schirm, der in einem Abstand von 4 cm rechts von der Linse angebracht wird. c) Beschriften Sie die Bildweite und einen Bildpunkt.

15 Fach: Physik Aufgabengruppe A Seite 15 von 30 d) Beschreiben Sie, wie sich das Bild der Kerzenflamme auf dem Schirm verändert, wenn die Gegenstandsweite verdoppelt wird. Aufgabe 15 4 Punkte Auf dem Foto sehen Sie elf Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle unter Wasser ausgehen. Im unteren Drittel des Bildes ist die Wasseroberfläche zu erkennen. a) Erklären Sie die Beobachtungen in der Versuchsanordnung mit dem entsprechenden Fachbegriff. b) Der Lichtstrahl ganz rechts zeigt ein anderes Verhalten als die übrigen. Wie nennt man dieses Phänomen? Nennen Sie zwei technische Anwendungen für diese Erscheinung.

16 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 16 von 30 Aufgabengruppe B Elektrizitätslehre Aufgabe 1 3 Punkte Eine 40-Watt-Außenleuchte wird mit Strom aus einer Solarstromanlage betrieben. Wie viel Euro kann man pro Jahr sparen, wenn folgende Bedingungen vorliegen: durchschnittliche Leuchtdauer pro Tag: 12 min Kosten für eine vom Stromversorgungsunternehmen bereitgestellte Kilowattstunde (kwh): 0,25

17 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 17 von 30 Aufgabe 2 5 Punkte a) Beschriften Sie die beiden mit Pfeilen markierten Bauteile. b) Beschreiben Sie, was passiert, wenn der Klingelknopf gedrückt wird. Erklären Sie. Röhrenglocke c) Was geschieht, wenn man den Klingelknopf wieder loslässt? Erklären Sie. d) Was würde geschehen, wenn der Klöppel aus Kupfer statt aus Eisen bestehen würde? Begründen Sie ihre Antwort.

18 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 18 von 30 Aufgabe 3 3,5 Punkte Eine Waschmaschine besitzt außer dem Ein-/Aus-Schalter noch einen weiteren Schalter, der in der Bedienungstür sitzt. Ein Waschprogramm kann nur dann starten, wenn beide Schalter geschlossen sind. Wie müssen die beiden Schalter geschaltet werden, dass das Wasser erst dann einfließt, wenn sowohl die Bedienungstür geschlossen als auch der Einschalter betätigt wurde? Fertigen Sie eine Schaltskizze an. Da die Wasserpumpe von einem Elektromotor angetrieben wird, können Sie das entsprechende Schaltsymbol verwenden.

19 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 19 von 30 Aufgabe 4 8 Punkte In einem einfachen Stromkreis ist ein Heizdraht eingebaut. Es wurden folgende Werte gemessen: U [V] I [ma] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,48 0,55 a) Zeichnen Sie für dieses Experiment eine passende Schaltskizze mit Messgeräten. b) Zeichnen Sie ein zur Tabelle passendes Diagramm. c) Berechnen Sie für die letzten zwei Messwerte jeweils den elektrischen Widerstand. d) Woran liegt es, dass die Stromstärke von 5 V auf 6 V nur noch so wenig zunimmt?

20 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 20 von 30 Aufgabe 5 4 Punkte a) Auf dem Bild sehen Sie ein Vielfachmessgerät. Welche beiden elektrischen Größen lassen sich direkt messen? b) Füllen Sie die Tabelle vollständig aus. Messbereich Zeigerstellung Messwert 6 V 5,5 600 V~ 0, ma 5 A 1 1 V~

21 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 21 von 30 Aufgabe 6 3 Punkte a) Im Schaubild sind für 11 Stoffe Zahlenwerte notiert. Welche physikalische Eigenschaft dieser Stoffe geben diese Werte an? b) Begründen Sie anhand der Tabellenwerte, weshalb es sinnvoll ist, Wasser als Wärmeträger in Heizungsanlagen (den üblichen Heißwasserheizungen) zu verwenden. c) Wie kommt es, dass nach einem heißen Sommertag am Meer das Wasser nachts oft wärmer ist als die Luft?

22 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 22 von 30 Aufgabe 7 4 Punkte a) Wie in der Darstellung rechts erkennbar, dreht sich der Papierpfeil, wenn die Stricknadel eine Zeit lang erwärmt wird. Erklären Sie diesen Effekt mit Hilfe des Teilchenmodells. b) Bohrer, die mit besonders hohen Drehzahlen betrieben werden, müssen ständig mit einer Flüssigkeit gekühlt werden. Warum? Benutzen Sie für die Erklärung die Begriffe innere Energie und Temperatur.

23 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 23 von 30 Aufgabe 8 5 Punkte Onkel Ole hat für seine drei Nichten eine Wippe entworfen. a) Markieren Sie im Bild alle Drehpunkte sowie sämtliche Hebelarme farbig. b) Welche der von Onkel Ole gebauten Hebel sind einseitige, welche sind zweiseitige Hebel.

24 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 24 von 30 Aufgabe 9 6 Punkte Das Gravitationsfeld Der Mond kreist um die Erde, weil er durch Gravitationskräfte auf seine Bahn gezwungen wird (Änderung einer Bewegungsrichtung, weil eine Kraft wirkt). Ähnlich wie dem Mond ergeht es auch allen die Erde umkreisenden Satelliten. Die Erde muss also im ganzen Raum, der sie umgibt, Kräfte ausüben können. Man sagt deshalb, sie ist von einem Kraftfeld umgeben. Weil es sich um Gravitationskräfte handelt, heißt es Gravitationsfeld. Im Gravitationsfeld erfährt jeder Körper eine ganz bestimmte Kraft. Diese ist immer zum Erdmittelpunkt hin gerichtet. Die Größe der Gravitationskraft also die Gewichtskraft, die ein Körper erfährt hängt von zwei Faktoren ab: 1. Der Stärke des Gravitationsfeldes an dem Ort, an dem sich der Körper befindet. Diese ist wiederum abhängig vom Körper, der das Gravitationsfeld erzeugt (Erde, Mond) und von der Entfernung zu diesem. 2. Vom Körper selbst. (Ein großer Stein erfährt z. B. eine größere Kraft als ein kleiner.) Das Angezogen-Werden muss eine Eigenschaft aller Körper sein. a) Die Gravitationskraft ist auf der Erde nicht überall gleich groß. Nenne Sie zwei Gründe. b) Wovon hängt die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ab? c) Wenn Sie sich an den unten aufgeführten Orten befinden könnten, würden Sie jedes Mal eine andere Gravitation spüren. Nummerieren Sie die Orte von 1 bis 4. Beginnen Sie mit dem Ort, an dem die geringste Anziehungskraft wirkt und enden Sie mit dem, wo die Anziehungskraft am größten ist. Mond Mount Everest Meereshöhe Raumschiff auf dem Weg zum Mars

25 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 25 von 30 Optik Aufgabe 10 8 Punkte Ein Fotoapparat hat äußerlich nur wenige Ähnlichkeiten mit einem Auge. Es gibt jedoch Teile, die man sowohl im Auge als auch im Fotoapparat finden kann. a) Stellen Sie drei Teile gegenüber, die bei Auge und Fotoapparat einander entsprechen. im Auge im Fotoapparat b) Um das Bild scharf stellen zu können, verändert das Auge durch den Ringmuskel die Linsenkrümmung. Bei einem Fotoapparat bleibt die Linsenkrümmung bei der Scharfstellung jedoch gleich. Wie wird das Bild beim Fotoapparat scharf gestellt?

26 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 26 von 30 c) Bei manchen Menschen ist der Abstand zwischen Linse und Netzhaut zu groß oder zu klein. Was bedeutet dies für die Bildentstehung im Auge? Wie kann man diese beiden Sehfehler korrigieren und wie heißen sie? Aufgabe 11 3 Punkte a) In dem Versuchsaufbau lassen sich zwei Schattenarten unterscheiden. Kennzeichnen Sie mit Hilfe von beschrifteten Pfeilen die beiden Schattenarten im Foto oben (ohne die Bodenfläche). b) Wie verändern sich die Schatten, wenn das Hindernis näher an die Lampen heran geschoben wird?

27 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 27 von 30 Aufgabe 12 5 Punkte Ergänzen Sie den Lückentext. Durch die Versuche von Sir Isaac Newton haben wir physikalische Kenntnisse über Farben. Wenn man den Künstlern glaubt, dann wird in der Kunst beinahe niemals Farbe als das wahrgenommen, was sie physikalisch ist". Für Künstler sind die drei Grundfarben, und wichtig. Aus den Pigmenten dieser drei Grundfarben lassen sich alle Mischfarben herstellen. Viele Maler entwickelten im Laufe der Zeit Farbkreise, mit denen sie ihre Farblehre begründeten. In der Malerei werden solche Farben, die einander im Farbkreis gegenüber liegen, genannt. Hinter geschliffenen Glasfiguren sehen Sie oft farbiges Licht. Wie die Farben zustande kommen, lässt sich mit einem Glaskörper mit einer dreieckigen Grundfläche und ebenen Seitenflächen untersuchen, einem so genannten. Wenn weißes Licht auf eine Seitenfläche dieses Glaskörpers fällt, dann wird es gebrochen und dabei in farbiges Licht zerlegt. Dahinter lässt sich das farbige Licht als Farbband auffangen. Dieses Farbband nennt der Physiker Spektrum des weißen Lichts. Es besteht aus den Farben, Orange, Gelb, Grün, Blau und. Dies sind die sogenannten. Sie kennen diese Farben auch als Regenbogenfarben. Neben den Regenbogenfarben gibt es noch Licht, das das menschliche Auge nicht sehen kann. Das unsichtbare Licht am oberen Ende des Farbbandes neben der Farbe rot heißt. Am anderen Ende befindet sich das von uns ebenfalls nicht wahrnehmbare, das besonders in Sommer für den Sonnenbrand verantwortlich ist.

28 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 28 von 30 Mechanik Aufgabe 13 t v v D s 6 Punkte a) Zu welcher Art von Bewegung passen die Zahlenwerte in der nebenstehenden Grafik? b) Berechnen Sie a. c) Zeichnen Sie ein s-t-diagramm mit den Werten aus der oben stehenden Grafik.

29 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 29 von 30 Aufgabe 14 5 Punkte In dem Versuch wurde ein Stein in ein Überlaufgefäß getaucht, das bis zum Überlauf mit Wasser gefüllt war. Das Foto zeigt das Versuchsergebnis. a) Vergleichen Sie das Volumen des Steins mit dem des übergelaufenen Wassers. b) In welchem Maße hat sich die Masse des Steins durch das Eintauchen verändert? c) In welchem Maße hat sich die Gewichtskraft des Steins durch das Eintauchen verändert? d) Berechnen Sie die Auftriebskraft, die eine verschlossene Konservendose von 950 cm 3 erfährt, wenn man sie vollständig in Wasser eintaucht?

30 Fach: Physik Aufgabengruppe B Seite 30 von 30 Aufgabe 15 6,5 Punkte Für den Kreislauf des Wassers ist die Sonne verantwortlich. Ihre Energie lässt das Wasser der Ozeane verdunsten und sie erwärmt außerdem die Luft. Der entstandene Wasserdampf steigt zusammen mit der warmen Luft auf. Beim Kondensieren des Wasserdampfes (in kälteren Luftschichten) bilden sich Wassertröpfchen. Das Gemisch aus Wasserdampf und diesen Tropfen bildet Wolken. Im Wasser ist damit die Wärme der Sonne als Höhenenergie gespeichert. Die Wolken regnen ab. Die Höhenenergie nimmt dabei immer weiter ab, bis das Wasser schließlich zurück in Meere und Ozeane fließt. a) Mit welcher technischen Einrichtung wird ein Teil dieser beschriebenen Höhenenergie genutzt, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Beschreiben Sie diese Energieumwandlung genauer. b) Warum regnet es besonders viel dort, wo Berge oder Gebirge die Wolken behindern?