Zentrale schriftliche Abiturprüfung Physik. Grundkurs

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1 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2006 Physik Teil A (Wahl für Lehrkräfte) Aufgabenstellung A1 für Prüflinge Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Thermodynamik Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Anordnung zur Bestimmung der Wärmekapazität eines Probekörpers: Probekörper, Waage, Thermometer, Vorratsbehälter mit Wasser, Rührstab, Messzylinder, Wärmequelle, Kalorimetergefäß 3 Zeitstunden Seite 1 von 2 Physik 06_Ph_A_G_A1_1

2 Aufgaben 1 Energiebilanzen 1.1 Einem 2 kg schweren Aluminium-Zylinder (Radius r = 15 cm) mit einer Anfangstemperatur von 15 C wird eine Wärme von 108 kj zugeführt Berechnen Sie die Endtemperatur des Werkstücks. Um wie viel Prozent nahm das Volumen des Werkstücks zu? Stellen Sie den Vorgang des Erwärmens im ϑ(t)-diagramm dar, wenn die Wärmequelle eine Leistung von 500 W besitzt Die Wärme lässt sich auch, entsprechend der Abbildung, durch Reibung zuführen. Es wird davon ausgegangen, dass die gesamte Wärme auf den Zylinder übergeht. Dazu wird der Zylinder mit einer Kraft von 40 N auf die Unterlage gedrückt und in Drehung versetzt, wobei die Reibungszahl µ = 0,3 beträgt. Wie viele Umdrehungen muss der Zylinder ausführen, damit die vorgegebene Erwärmung erfolgt? 1.2 Schülerexperiment: Führen Sie experimentelle Untersuchungen durch, mit denen Eigenschaften eines Probekörpers bestimmt werden können. Neben dem Probekörper stehen für Sie die unter weiteren Hilfsmitteln angeführten Arbeitsmittel bereit. Die Wärmekapazität des Kalorimetergefäßes beträgt K = K kj (wird Ihnen von der Lehrkraft mitgeteilt). Notieren Sie alle gemessenen Größen in einer Tabelle. Ermitteln Sie jeweils eine mechanische und eine thermodynamische Größe, die eine Stoffidentifizierung ermöglichen kann. Bestimmen Sie den Stoff, aus dem der Probekörper bestehen kann, durch einen Vergleich mit im Tafelwerk enthaltenen Angaben. Begründen Sie Ihr Vorgehen zur Bestimmung der stoffspezifischen thermodynamischen Konstante des Körpers. Berücksichtigen Sie dabei besonders energetische Aspekte. Seite 2 von 2 Physik 06_Ph_A_G_A1_1

3 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2006 Physik Teil A (Wahl für Lehrkräfte) Aufgabenstellung A2 für Prüflinge Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Mechanik Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Anlage: Diagramm Seite 1 von 3 Physik 06_Ph_A_G_A2_1

4 Aufgaben 1.1 Zwei kleine Gedankenexperimente: (1) Ein hoch elastischer kleiner Ball B wird senkrecht gegen eine starre Betonwand geworfen. (2) Eine völlig unelastische kleine Kugel K wird senkrecht gegen eine starre Wand geworfen Beschreiben Sie kurz die zu erwartenden Versuchsergebnisse aus (1) und (2). Treffen Sie dabei auch Aussagen über den Impuls von B bzw. K unmittelbar vor und nach dem Stoß mit der Wand Weisen Sie Ihre in getroffene Aussage zum Impuls von B für das Gedankenexperiment (1) anhand der Stoßgesetze nach. 1.2 Im dargestellten Versuch wird ein so genanntes ballistisches Pendel (siehe Abbildung) dazu benutzt, die Geschwindigkeit v 1 eines Balls (Geschoss) zu ermitteln. Dazu wird der Ball mit v 1 in den zuerst ruhenden Auffangkasten (m k = 1,1 kg) geschossen und führt mit diesem einen unelastischen Stoß aus, in dessen Folge der Ball im Kasten verbleibt ( gemeinsamer Körper S) Erläutern Sie die energetischen Abläufe bei v 1 diesem Versuch bis der Auffangkasten seine größte Höhe über dem Boden erreicht Leiten Sie unter Betrachtung der Impulserhaltung mb + m k die Gleichung v1 = 2 g h her, mb wobei h der durch den Stoß verursachte Höhengewinn des Auffangkastens ist. Begründen Sie ohne zu berechnen, wie sich bei Verdopplung der Geschwindigkeit des Balls die Höhe h ändert Berechnen Sie v 1 für den dargestellten Fall, dass die Masse m B des Balls m B = 13 g beträgt. Hinweis: Eine vergrößerte Abbildung des Diagramms befindet sich in der Anlange Stellen Sie die erreichte Höhe h in Abhängigkeit von der Masse m B des Balls auf der Grundlage einer Wertetabelle in einem Diagramm dar. Das Diagramm soll bei der Geschwindigkeit v 1 = 30 m s -1 die unterschiedlichen Massen von Bällen mit 5 g bis zu 20 g berücksichtigen In den vorhergehenden Betrachtungen hat sich gezeigt, dass der Höhengewinn h des Stoßpendels nur gering ist und darum nur schwer mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden kann. Als günstige Alternative hat sich die Messung des Auslenkungswinkels erwiesen. Im Versuch hängt der Auffangkasten an 0,65 m langen Schnüren. Bei einer Messung mit dem 13 g schweren Ball beträgt der maximale Auslenkungswinkel ϕ des Pendels nach dem Stoß ϕ = 9. Fertigen Sie eine Planskizze an und berechnen Sie für diesen Fall v 1. Seite 2 von 3 Physik 06_Ph_A_G_A2_1

5 Anlage Seite 3 von 3 Physik 06_Ph_A_G_A2_1

6 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2006 Physik Teil B (Wahl für Prüflinge) Aufgabenstellung für Prüflinge Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung 3 Zeitstunden Wahlthemen Aufgabenstellung B1 Thema/Inhalt: Elektrodynamik elektrische und magnetische Felder oder Aufgabenstellung B2 Thema/Inhalt: Elektronen und Licht Seite 1 von 3 Physik 06_Ph_A_G_B_1

7 Aufgabenstellung B1 2 Elektrische und magnetische Felder 2.1 Stellen Sie das elektrische und das magnetische Feld bezüglich ihrer Ursachen, ihrer Darstellungen, der feldbeschreibenden Größen und der wirkenden Kräfte in tabellarischer Form gegenüber. 2.2 Für einen Plattenkondensator sind die folgenden Daten gegeben: die Plattenfläche: 15 cm 2, der Plattenabstand: 2 mm. Zwischen den Platten befindet sich Luft (ε r = 1). Es liegt eine Spannung von 75 V an den Platten an Ermitteln Sie die Kapazität des Kondensators Geben Sie an, wie sich die Kapazität, die Spannung und die Ladung des Kondensators verändern, wenn man den Abstand der Platten verdoppelt: - bei angeschlossener Spannungsquelle und - bei abgetrennter Spannungsquelle. Begründen Sie Ihre Aussagen. 2.3 Für eine lange Spule sind die folgenden Daten gegeben: die Querschnittsfläche: 5 cm 2, die Länge: 8 cm. Im Inneren der Spule befindet sich Luft (µ r = 1). Es wird eine Stromstärke von 1,2 A gemessen Ermitteln Sie die Windungszahl, bei der die Spule eine Induktivität von 60 mh hat Geben Sie an, wie sich die Induktivität und die magnetische Flussdichte der Spule ändern: - bei Halbierung der Stromstärke und - bei Verwendung eines Eisenkerns. Begründen Sie Ihre Aussagen. 2.4 Ein Elektron mit einer Anfangsgeschwindigkeit v 0 = 1, m s 1 tritt senkrecht zu den Feldlinien in ein magnetisches Feld mit B = 0,25 T ein Skizzieren Sie die Bahnkurve des Elektrons innerhalb des Magnetfeldes. Ermitteln Sie die Kraft mit der das Elektron abgelenkt wird Entwickeln Sie eine Anordnung aus einem elektrischen und dem gegebenen magnetischen Feld, um die Ablenkung durch das Magnetfeld zu kompensieren. Bestimmen Sie die erforderliche elektrische Feldstärke. Seite 2 von 3 Physik 06_Ph_A_G_B_1

8 Aufgabenstellung B2 3 Elektronen und Licht 3.1 Das Licht einer Quecksilberhochdrucklampe wird durch ein optisches Gitter spektral zerlegt und fällt durch eine Blende (siehe Abb.). e = 1m s Lampe Gitter Blende Das Gitter steht senkrecht zum auftreffenden Licht. Der Blendenspalt ist vertikal verschiebbar angeordnet, um einzelne Spektralfarben ausblenden zu können. Das Quecksilberlicht enthält u. a. Licht folgender Wellenlängen: UV violett blau gelb 366 nm 405 nm 436 nm 579 nm Das Gitter besitzt 680 Striche je Millimeter Erläutern Sie ausführlich, wie es bei dieser Versuchsanordnung nach dem Wellenmodell zur Ausbildung von Interferenzmaxima kommt Die Blende steht zunächst so, dass ihre Öffnung von der optischen Achse durchsetzt wird. Ermitteln Sie die Strecke s, um die man die Blendenöffnung gegenüber der optischen Achse verschieben muss, damit sie das Maximum erster Ordnung des UV-Lichts mittig durchlässt Berechnen Sie den Minimalabstand der beiden am engsten liegenden Spektrallinien 1. Ordnung in der Blendenebene. 3.2 Hinter der Blendenöffnung wird eine Fotozelle angeordnet. Beim Beleuchten der Fotozelle mit dem jeweiligen Licht lassen sich unter Verwendung der Gegenfeldmethode folgende Gegenspannungen registrieren: UV violett blau gelb 1,35 V 1,02 V 0,81 V 0,12 V Zeichnen Sie das zugehörige U(f)-Diagramm und bestimmen Sie daraus das planck'sche Wirkungsquantum. Entnehmen Sie weitere Informationen aus dem Diagramm, erläutern Sie diese kurz Ermitteln Sie den Impuls der schnellsten beim Versuch auftretenden Fotoelektronen. Begründen Sie Ihren Ansatz. Seite 3 von 3 Physik 06_Ph_A_G_B_1