Abitur prüf ung Physik als Grundkursfach

Transkript

1 Kultusmnsterum des Landes Sachsen-Anhalt Abtur prüf ung 993 Physk als Grundkursfach Arbetszet: 20 Mnuten Thema I Mechank Thema II Thermodynamk Thema III Felder Thema IV Energe und Kräfteblanzen

2 Thema I Mechank Aufgabenkomplex : Mechank En Esenbahnwagen W t mt ener Masse von 20 t bewegt sch mt ener konstanten Anfangsgeschwndgket von,5 m s" auf enen Ablaufberg zu. De Abmessungen des Ablaufberges snd der Skzze zu entnehmen! A B C D -fczs. ncht Mü'.tab^'-r.nt! Der Wagen bewegt sch den Ablaufberg hnab und stößt auf enen stehenden Wagen W 2, der ene Masse von 25 t bestzt, wobe de Kupplung sofort enklnkt und bede Wagen anschleßend starr verbunden snd. Bede Wagen stoßen am Ende der Strecke auf enen Prellbock, wobe de beden Pufferfedern elastsch verformt werden. De Rebung blebe während des gesamten Vorganges unberückschtgt.. Erläutern Se den gesamten Vorgang vom Punkt A bs nach Abschluß des Stoßprozesses mt dem Prellbock (Punkt D) mt Hlfe der Ihnen bekannten Erhaltungssätze! 2. Mt welcher Geschwndgket verlaßt der Wagen W! den Ablaufberg (Punkt B)? 3. Berechnen Se de Beschleungung des Wagens Wj auf dem Ablaufberg! 4. Zechnen Se das v-t-dagramm und das s-t-dagramm für de Bewegung des Wagens W,; vom Punkt A nach Punkt BL Ermtteln Se dazu ver Wertepaare! 5. Mt welcher Geschwndgket bewegt sch das System aus den beden Wagen W\ und W 2 unmttelbar nach dem Zusammenstoß weter? Leten Se de dafür notwendge Glechung her! 6. Berechnen Se de Energe des Wagens Wj n den Punkten A und C sowe de Energe der Kombnaton von W^ und W 2 m Punkt C! Verglechen Se de Energen! Welche Schlußfolgerungen zehen Se aus dem Verglech? 7. De Federkonstante beder PufFerfedern beträgt jewels 30 kn-cnr. Um welche Strecke werden bede Federn zusammengedrückt?

3 Thema II Thermodynamk Aufgabe En Kresprozeß besteht aus den m Dagramm dargestellten Zustandsänderungen... Erläutern Se de Begrffe Zustandsgröße und Prozeßgröße allgemen! Nennen Se Zustandsgrößen und Prozeßgrößen der Thermodynamk!.2. Charakterseren Se de enzelnen Zustandsänderungen des dargestellten Kresprozesses!.3. Wenden Se den. Hauptsatz der Thermodynamk auf jede der dre Zustandsänderungen an! Aufgabe 2 Ene abgeschlossene Gasmenge st m Anfangszustand durch folgende Größen gekennzechnet: V^lSOcm 3 ; P=232kPa; T =247K. Bem Strlngschen Kresprozeß werden von dem Gas nachenander folgende Zustandsänderungen durchlaufen: - sochore Erwärmung um 40 K - sotherme Expanson auf 290 cm 3 - sochore Abkühlung auf de Anfangstemperatur - sotherme Kompresson auf den Anfangszustand 2.. Ermtteln Se Druck, Volumen und Temperatur nach jeder Zustandsänderung! 2.2. Zechnen Se en p-v-dagramm für desen Kresprozeß! Berechnen Se für jede sotherme Zustandsänderung mndestens zwe wetere Wertepaare! 2.3. Entscheden Se, ob nach Abschluß des Kresprozesses das System nsgesamt Arbet abgegeben oder aufgenommen hat! Begründen Se Ihre Antwort!

4 Aufgabe 3 In ener Schmelzanlage werden mt Hlfe enes Petroleumbrenners 33,5 kg Znn mt ener Anfangstemperatur von 25 C geschmolzen. Der Wrkungsgrad deser Anlage betrage 20%. In desem Znnbad werden dre Kupferbleche (Abmessungen: 400 x 200 x 2 mm) durch glechzetges vollständges Entauchen verznnt. Hnwes: P Kup fer = 8 > 9 3 kß dm " 3 Ppetroleum - 0,85 kg-clm-3 Hpetroleum =42MJkg" _ A - Q JJ r c werde über de gesamte Temperaturänderung c Kupfer ~ ü ' j y,, n CZnn = 22 > kg kj K als konstant angenommen!] kg-k qs(znn) -= 5 59 y U j ^ 3. Berechnen Se den Betrag der Wärme, de zur Erwärmung des Znns durch de vollständge Verbrennung von Lter Petroleum unter Beachtung des Wrkungsgrades genutzt werden kann! 3.2. Skzzeren Se de Erwärmung des Znns n enem T-Q-Dagramm (ncht maßstäblch), und benennen Se de enzelnen Abschntte! 3.3. Berechnen Se de Temperatur der Znnschmelze nach der Erwärmung! 3 4 Welche Mschungstemperatur stellt sch m Znnbad (725 C) nach dem Entauchen der dre Bleche (Anfangstemperatur 25 C) en, wenn de Wärmeabgabe an de Umgebung vernachlässgt wrd? 0

5 Thema III Felder Aufgabe.. Erläutern Se de Bedeutung von Modellen n der Physk anhand von zwe Bespelen, und gehen Se dabe auch auf de Grenzen der Anwendbarket deser Modelle en!.2. Veranschaulchen Se das Feld zwschen den beden geladenen Metallplatten (sehe Skzze )! 5 cn \ / / - \ En postv geladener Probekörper wrd nachenander n das Feld an de Orte A und B gebracht. Verglechen Se de Bewegungen, de der Probekörper anschleßend ausführt! De Gravtaton blebe unberückschtgt! Begründen Se Ihre Aussagen! De Kondensatorplatten befnden sch n enem Abstand von 5 cm. An hnen lege ene Spannung von 20 V. En zunächst ruhendes Proton befnde sch m Feld des Kondensators am Ort A. Berechnen Se - de elektrsche Feldstärke m Kondensator m Punkt A, - de Beschleungung, de das Proton erfährt, - de beschleungende Kraft auf das Proton. Aufgabe 2 De Skzze 2 stellt ene Elektronenstrahlröhre mt enem magnetschen Ablenksystem von quadratschem Querschntt mt der Setenlänge s = 3 cm dar. Das homogene magnetsche Feld n desem Ablenksystem verläuft senkrecht zur Bewegungsrchtung der Elektronen und hat ene magnetsche Flußdchte von 25 mt.

6 xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx 2.. Eräutem Se den gesamten Bewegungsablauf enes Elektrons nnerhalb der Elektronenröhre nach dem Austreten aus der Katode Welche Geschwndgket haben de Elektronen des Elektronenstrahls, wenn de Anodenspannung 2 kv beträgt? De relatvstsche Massenveränderlchket blebe unberückschtgt! 2.3. We groß st de knetsche Energe enes Elektrons (n ev), nachdem es de Beschleungungsspannung durchlaufen hat? 2.4. Erläutern Se den Enfluß ener Veränderung der Anodenspannung auf de Bewegung des Elektrons m Magnetfeld? 2.5. Welche Geschwndgket müßten de Elektronen haben, damt der das Magnetfeld verlassende Elektronenstrahl senkrecht zum entretenden Elektronenstrahl verläuft? 2

7 Thema IV Energe und Kräfteblanzen Aufgabe : Äußerer lchtelektrscher Effekt.. Erläutern Se den äußeren lchtelektrschen Effekt! Nutzen Se dazu ene Energeblanz!.2. Ene Katode aus Caesum wrd mt Lcht der Wellenlänge 360 nm bestrahlt..2.. Leten Se ene Glechung zur Berechnung der Geschwndgket der schnellsten Fotoelektronen her! Berechnen Se de Geschwndgket!.2.2. Bestmmen Se de Wellenlänge des Lchtes, be der de Fotoelektronen aus dem Katodenmateral austreten aber kene knetsche Energe bestzen!.2.3. Zechnen Se de Enstensche Gerade für das verwendete Katodenmateral n en Ej_ n - f - Dagramm! Zechnen Se de Enstenschen Geraden für de Fälle n dasselbe Koordnatensystem, daß das Katodenmateral aus Barum bzw. aus Znk besteht! Begründen Se den Verlauf der dre Geraden zuenander! (Hnwes: W A; B a r u m = 2,52 ev; W A; Q ^ =,93 ev; W A; ^ = 3,95 ev) Aufgabe 2: Bewegung von Elektronen In ener Nebelkammer emttert ene Strahlungsquelle ß"-Telchen (Elektronen). Dese Nebelkammer wrd von enem konstanten homogenen Magnetfeld der magnetschen Flußdchte,0- IO* 2 Vs-nr 2 senkrecht zur Bewegungsrchtung der Telchen durchsetzt. 2.. Auf ener Fotografe st de Nebelspur enes deser ß"-Telchen als Kresbahn schtbar, deren Radus 0 mm beträgt. Leten Se de zur Berechnung der knetschen Energe des Telchens erforderlche Glechung her, und begründen Se den Lösungsansatz! 2.2. Berechnen Se de knetsche Energe deses ß"-Telchens n ev! 3

8 Aufgabe 3 Bewegungen Im Dagramm st der Bewegungsablauf enes unbeladenen Kraftwagens dargestellt S s - j - l *. l!! S j! \- _ I! 4_ l _ j j u ^ «" -- 2a j j «U \" j ; ; Beschreben Se den Bewegungsablauf! j t l I \! j \!! ' ' j - Zechnen Se das zugehörge Beschleungung-Zet-Dagramm! Berechnen Se de Fahrstrecke, de n 9 s zurückgelegt wurde! t n s 3.4. Durch Beladen des Fahrzeuges verdoppelt sch de Masse. Ermtteln Se de Zet, de das Fahrzeug be glechblebender Antrebskraft und be Vernachlässgung der Rebung zum Errechen derselben Höchstgeschwndgket benötgt! Begründen Se Ihre Aussage! 4

9 Grundkurs - Lösungen Aufgabenkomplex : Mechank BE. AB 2. Energeerhaltungssatz E + E E ktn,a pot.a kn,b BC _C E = konst. Unelastscher Stoß; Impulserhaltungssatz CD E = konst. D Elastscher Stoß; Energeerh.-Satz. Impulserh.-Satz E = E A B 2 m -g-h + - T m v m v B A 2 A / _ I v = / v +2-g -h B A A v = 6,05 m-s" = 2,8 km-h - B tan a = AB a = g sn a Aus a = a = 0,34 m-s Av At folgt At At = 3,4 s Zechnen der beden Dagramme m -v +m -v B 2 2 (m +m ) -u 2 Mt v = 0 folgt 2 (unelastscher Stoß) U = m + m 2 u = 2,69 m-s 6. E - E,. + E A, kn,a pot,a c E = -= -m -v + m -g -h A,l 2 A ; E = 366 kj A, E - E A, C, E / x 2 _. (m +m ) u C.l E - 63 kj C, +2 2 ^ E _, kxn<c4+2> = E Sp T k n < c, l + 2 > 23 cm 5

10 Aufgabenkomplex 2: Thermodynamk BE 8 C3_> 2 C63 C43 C2_> 20 C5D C4_> C7D C4) Aufgabe.. Erläuterung der Begrffe Zustandsgrößen: p. V. T Prozeßgrößen; Q. W.2. AB: Isobare Erwärmung von T auf T.3 BC CA AB BC CA Aufgabe Adabatsche Expanson Isotherme Kompresson Isobare Zustandsänderung (p - konst.) AU = Q + W mt W = p-av Adabatsche Zustandsänderung (Q = 0) AU - ' W Isotherme Zustandsänderung (AU - 0) Q - -W Zustand p n kpa V n cm T n K Berechnung von Berechnung von B zwe Werten für sotherme zwe Werten für sotherme 20 ( Expanson Kompresson Zechnen des p-v-dagramms Be desem Vorgang wrd Arbet abgegeben. Begründung z.b.: Der Betrag der Expansonsarbet st größer als der Betrag der Kompressonsarbet. Aufgabe Q = H p V T) zu 740 kj zu 3.2. Zechnen des T-Q-Dagramms mt folgenden Phasen: - Erwärmung des festen Znns Schmelzvorgang Erwärmung des flüssgen Znns 3.3 Q + Q fest Schm. + Q fl. zu c -m Sn Sn 725 C 3.4. Rchmannsche Mschungsregel e C Sn + $ W 6

11 Aufgabenkomplex 3; BE 20 C6_) C4D C4) C63 Felder Aufgabe.. Bedeutung von Modellen erläutern z.b. für Erkenntnsgewnnung Bespele: Punktmasse, starrer Körper, Feldlnen, Atommodell Grenzen der Anwendbarket, am gewählten Bespel erläutern..2. Enzechnen des Feldlnenbldes.3 Rchtung der Feldlnen Aus- und Entrttsrchtung der Feldlnen senkrecht zur Plattenoberfläche homogenes Feld be parallelen Platten nhomogenes Feld be schrägen Platten Punkt A: geradlnge, glechmäßg beschleungte Bewegung zur negatven Platte konstante Feldkraft, da homogenes elektrsches Feld Punkt B: unglechmäßg beschleungte Bewegung entlang der Feldlnen zur negatven Platte Feldkraft ändert Betrag und Rchtung, da nhomogenes elektrsches Feld E V n".4 E = E - -~r F = 3,85 0" <5 N a» 2.3- IO m s' C6) C4D C2U C23 C6_> IST Aufgabe 2 2. Katode - Anode: geradl., glechmäßg beschleungte Bewegung wegen wrkender Feldkraft Anode - Ablenksystem: geradlng glechförmge Bewegung (kene Kraftwrkung) m Magnetfeld: glechförmge Kresbewegung. (Kresbogen) wegen wrkender Lorentzkraft (t ± v) L nach Verlassen des Magnetfeldes: geradl. glechförmg und tangental zur Kresbahn (kene Kraftwrkung) , 7 m U - / 2 e U m kn kn km-s = 2 kev A.U-W \ Oe höher de Anodenspannung, um so schneller das Elektron und um so größer der Radus der Kresbahn. L B R m 7 v V cm e B r m km-s"

12 Aütgabenkompex 4: W 9 C4_> C5D C3_ Aufgabe. Energe und Kräfteblanzen Erläuterung des äußeren lchtelektrschen Effektes unter Nutzung der Glechung h - f = T m-v 2 + W c & A. Aus obger Glechung folgt: (h-f - W ) A 730 km-s -l v.2.2. Aus f = folgt mt c f 642 nm C7_> 6 C4D C2D 5 C4D C4D C4D C3_.3. Berechnung der Grenzfrequenz f s~\ Zechnen des E -f-dagramms für Caesum kn Parallel verschobene Gerade für Barum Parallel verschobene Gerade für Znk Begründung: z.b. Ansteg der Geraden st n allen dre Fällen h, somt müssen se parallel sen. Schnttpunkt mt der E -Achse: - W kn A Aufgabe e 2.2 kn kn 879 ev m Aufgabe Abschntt : s: glechmäßg beschleungte Bewegung Endgeschwndgket v - 5 m-s" r 2 m Abschntt '2: s: geradlng glechförmge Bewegung mt v = 5 m-s l Abschntt 3: s: glechmäßg verzögerte Bewegung zum Stllstand z a - l,5m-s ; a» 0 ; - 5 m-s 2 Zechnen des a-t-dagramms 75 m 90 m Ges I = 22.5 m m 3.4. Aus F - m a folgt be ener Verdoppelung der Masse ene Halberung der Beschleungung und damt Av über a = n ene Verdoppelung der Zet auf 20 s, At 8