KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Abitur Januar/Februar Physik (Grundkurs) Einlesezeit: 30 Minuten Bearbeitungszeit: 210 Minuten

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1 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) KULTUSMINISTEIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur Januar/Februar 003 Physik (rundkurs) Einlesezeit: 30 Minuten Bearbeitungszeit: 0 Minuten Thea Therische und echanische Prozesse Thea Bewegungen in Feldern Thea 3 Stoßrozesse in der Makro- und Mikrohysik

2 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) Thea : Therische und echanische Prozesse asbehälter Ein zylindrischer Behälter sei oben durch einen reibungsfrei beweglichen Kolben abgeschlossen (Bild ). I Behälter befinden sich i Ausgangszustand V 0 40 l Heliu der Teeratur ϑ 0 5 C. Weitere Daten: äußerer Luftdruck: a 03 hpa Masse des Kolbens: 3,5 kg Querschnittsfläche des Kolbens: A 400 c sezifische Werte für Heliu: He,0777 kj kg K (nicht aßstäblich) c 5,38 kj kg K Bild. Berechnen Sie den Druck des ases i Behälter. Leiten Sie eine Beziehung zur Berechnung der Dichte des Helius in Abhängigkeit on den rößen Druck, Teeratur sowie der sezifischen askonstanten her. Eritteln Sie die Dichte unter der Annahe, dass der Druck i Behälter 0 hpa beträgt.. In eine Wärebad erwärt sich das as und hebt den Kolben u h 5,0 c an. Berechnen Sie die Teeraturerhöhung des Helius, die Wäre, die on außen zugeführt werden uss, sowie die Voluenarbeit des ases..3 Der Kolben wird nun isother in seine Ausgangslage zurückgeschoben. Skizzieren Sie das -V-Diagra für den genannten Prozess. Beschreiben Sie, wie die a Syste errichtete Arbeit bestit werden kann. Carnot scher Kreisrozess Ein idealer Kreisrozess, der aus zwei isotheren und zwei adiabatischen Teilrozessen (Carnot scher Kreisrozess) besteht, wird i Uhrzeigersinn durchlaufen. Skizzieren Sie den Vorgang in eine -V-Diagra. beweglicher Kolben Erläutern Sie die ablaufenden Zustandsänderungen und treffen Sie it Hilfe des. Hautsatzes der Therodynaik Aussagen über die jeweils auftretenden Wären, Arbeiten sowie Änderungen der inneren Energie. Diskutieren Sie anhand der leichung des therischen Wirkungsgrades Möglichkeiten seiner Erhöhung.

3 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) 3 PKW-Fahrt Ein PKW fährt it einer eschwindigkeit on 0 36 k h auf einer waagerechten Straße. Zu Zeitunkt t 0 0 wird er it a,0 s beschleunigt bis er eine eschwindigkeit on 90 k h erreicht. Diese eschwindigkeit wird 0 s lang beibehal- ten. Anschließend wird der PKW it a 5 bis zu Stillstand abgebrest. 3 s 3. Zeichnen Sie für den esatorgang das Weg-Zeit-, das eschwindigkeit-zeit- und das Beschleunigung-Zeit-Diagra. Berechnen Sie alle dazu notwendigen rößen. 3. Der PKW stößt bei eine Auffahrunfall unelastisch it eine ruhenden, in Stoßrichtung beweglichen Fahrzeug dreifacher Masse auf ebener Strecke zusaen. Die Unfallwagen koen nach einer Strecke on s,8 zu Stehen. Nach de Unfall wird ein eibungskoeffizient on µ 0,4 erittelt. Berechnen Sie die eschwindigkeit des PKW or de Unfall. 4 Fahrt in der Todeskugel Auf Jahrärkten und uellätzen gilt die Fahrt eines Motorrades in der sogenannten Todeskugel als Attraktion. Ein Fahrer rast innerhalb einer Stahlnetzkugel it de Durchesser d 5,0 in der horizontalen Ebene des Kugelufangs. Dann wird die untere Kugelhälfte abgesenkt (gl. Bild ), während der Fahrer seine Bewegung in der oberen Kuelhälfte fortsetzt. Leiten Sie anhand einer Zeichnung eine leichung zur Berechnung der notwendigen eschwindigkeit des Motorrades für einen Neigungswinkel on α 0 gegen die Horizontale her und berechnen Sie diese. Stahlnetzhalbkugel α Horizontalebene untere Halbkugel (wird abgesenkt) Bild

4 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) Thea : Bewegungen in Feldern Die Eleentarladung Beschreiben Sie den Aufbau, die Durchführung und die Auswertung der Schwebeethode nach Millikan zur Bestiung der Eleentarladung e on Elektronen. Nutzen Sie dabei eine Schaltskizze und leiten Sie die leichung zur Berechnung der Ladung her. Ladungen in elektrischen und agnetischen Feldern I Bild ist eine Versuchsanordnung zur - Schir Beschleunigung und U U Ablenkung on Elektronen dargestellt, die sich ollständig i Vakuu befindet. x x x x x x E Dabei werden die P B x x x x x x Elektronen zwischen der lühkatode K und K A B der Anode A it der - Sannung U 00 V beschleunigt. Mithilfe l Bild der Blende B wird ein feiner Elektronenstrahl ausgeblendet, der jeweils senkrecht zu den Feldlinien des elektrischen und agnetischen Feldes in die Mittelebene des Ablenkkondensators eintritt. Das hoogene Magnetfeld ist auf den dargestellten Bereich begrenzt. Für die Anordnung sind folgende Daten bekannt: Plattenlänge Plattenabstand Magnetische Flussdichte l 4,0 c d,0 c B 0,40 H. Berechnen Sie die eschwindigkeit der Elektronen bei Passieren der Anode. 6 (Ergebnis zur Kontrolle: 5,93 0 s ). Berechnen Sie die a Kondensator anzulegende Sannung U, so dass die Elektronen den Kondensator auf einer eraden durchlaufen und auf de Schir i Punkt P sichtbar werden. (Ergebnis zur Kontrolle: U 47,4 V).3 Berechnen Sie die ertikale Ablenkung der Elektronen bei Austritt aus de Kondensator, wenn das Magnetfeld bei weiter anliegender Sannung U ausgeschaltet wird. Zeigen Sie in diese Zusaenhang, dass der Ablenkungsbetrag für diese Anordnung nicht on der Masse und der Ladung des Ladungsträgers abhängt.

5 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) 3 Die Induktion i hoogenen Magnetfeld Auf eine Exerientierwagen ist wie i Bild dargestellt eine quadratische Leiterschleife der Seitenlänge a 4,0 c ontiert. Die Masse des Wagens it Leiterschleife beträgt W 00 g. Die Beschleunigung erfolgt über die Entsannung einer Schraubenfeder der Federkonstanten D 40 N, die zuor u die Länge l,5 c V zusaengedrückt wird. Der Wagen bewegt sich anschließend horizontal und reibungsfrei durch ein Magnetfeld der Flussdichte B,5 T. Das Magnetfeld ist auf einen rechteckigen Querschnitt it der Seitenlänge b 8,0 c in Bewegungsrichtung begrenzt. a x x x x x x x x x x x x x x B x x x x x x x b Bild s in das Magnet- 3. Zeigen Sie, dass der Wagen it einer eschwindigkeit on 0,5 feld eintaucht. Stellen Sie den zeitlichen Verlauf der a Volteter geessenen Induktionssannung o Eintritt der Leiterschleife in das Magnetfeld bis zu ollständigen Austritt aus de Magnetfeld grafisch dar. Berechnen Sie die dazu notwendigen rößen. 3. In eine zweiten Versuch soll das Volteter durch einen Oh schen Widerstand it geringe Widerstandswert ersetzt werden. Welche Änderungen i zeitlichen Verlauf der Induktionssannung ergeben sich? Begründen Sie Ihre Aussagen. 4 Das raitationsfeld Seit de Altertu sind die fünf Planeten Merkur, Venus, Mars, Juiter und Saturn als sogenannte Wandelsterne bekannt. I Jahr 78 entdeckte Friedrich Wilhel Herschel den Planeten Uranus, dessen Durchesser 500 k beträgt. Ein großer Mond on Uranus ist Titania, der ihn in 8,7 Tagen auf einer kreisähnlichen Bahn it de adius 5 on 4,36 0 k uläuft. Berechnen Sie aus diesen Daten die Masse des Uranus. Leiten Sie die zu nutzende leichung her. 5 (Ergebnis zur Kontrolle: 8,66 0 kg ) Berechnen Sie die röße der Fallbeschleunigung auf der Oberfläche des Planeten.

6 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) Thea 3: Stoßrozesse in der Makro- und Mikrohysik Draisinensrung Zwei gleiche leichte Eisenbahnwagen (Draisinen) fahren it gleicher eschwindigkeit in konstante Abstand hintereinander. Eine Person sringt o orderen Wagen it einer Absrunggeschwindigkeit ab und landet auf de hinteren Wagen (gl. Bild ). Daten Masse der Wagen: 50 kg Masse der Person: P 75 kg eschwindigkeit der Wagen: 3 s eschwindigkeit der Person: - 3 s Bild Berechnen Sie die eschwindigkeiten, die beide Wagen nach de Srung haben und geben Sie deren ichtungen an. Mit welcher eschwindigkeit üsste die Person absringen, dait sie nach der Landung auf de hinteren Wagen diesen zu Stehen bringt? utschbahnexeriente Eine utschbahn auf ädern kann auf eine waagerechten Tisch hin und her rollen. Ein Breskeil kann ihre Bewegung nach links erhindern. Wenn die utschbahn stillsteht, wird i Punkt A ein leiter aus der uhe losgelassen (Bild ). Er gleitet bis zu Punkt B, wo er auf die Wand aufrallt und stecken bleibt. Die Abessungen des leiters sind klein i Vergleich zur Höhe h. Die otationsenergie der äder und die eibung des leiters auf der utschbahn können ernachlässigt werden. Daten: Masse utschbahn: 300 g Masse leiter: 00 g Höhenunterschied: h 0 c A leiter h Breskeil utschbahn Tisch B x Bild

7 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS). Versuch it Breskeil Die utschbahn bleibt in uhe bis der leiter an die senkrechte Wand rallt. Bestien Sie die eschwindigkeit des leiters kurz or seine Aufrall sowie die eschwindigkeit der utschbahn nach de Aufrall des leiters. Begründen Sie, dass der Breskeil solange eine Kraft in x-ichtung auf die utschbahn ausübt, solange der leiter bergab rutscht.. Versuch ohne Breskeil Während der leiter bergab rutscht, beschleunigt die utschbahn nach links. Alle eschwindigkeiten werden o Tisch aus geessen. Begründen Sie, waru die leitergeschwindigkeit kurz or de Aufrall jetzt kleiner sein uss als i ersten Versuch. Berechnen Sie die eschwindigkeit der utschbahn kurz or de Aufrall des leiters auf die Wand. Begründen Sie, waru die utschbahn bei diese Versuch nach de Aufrall wieder in uhe ist. 3 Franck-Hertz-Versuch 3. Bild 3 zeigt einen Schaltlan zur Durchführung des Frank-Hertz-Versuches. Erläutern Sie anhand des Schaltlanes die Durchführung des Versuches. ehen sie dabei auch auf den Zweck der angelegten Sannungen ein. A V U U B U H Bild 3 3. Erklären Sie das Zustandekoen des i Bild 4 dargestellten Stroerlaufs. I 4,9 9,8 4,7 U B in V 3.3 Wird dieser Versuch it stark erdünnte Hg-Daf durchgeführt, so werden Photonen der Wellenlänge λ 54 n eittiert. Erläutern Sie das Zustandekoen dieser Photoneneission und stellen Sie durch eine geeignete echnung einen Zusaenhang zwischen dieser Wellenlänge und de obigen Diagraerlauf her. Bild 4

8 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) EWATETE PÜFUNSLEISTUNEN Thea : Therische und echanische Prozesse BE Aufgabe 4 g. i a 0 hpa A i Herleitung on ρ T ρ 0,7 kg 3 He. ( V A h) T T 30,4 K T 4,4 K V i V Q c T T He WV i 55 J ( V V ) 04 J.3 Skizze des -V-Diagras Beschreibung der Erittlung der Arbeit Aufgabe 0 Skizze des -V-Diagras Erläuterungen der Zustandsänderungen und Aussagen zu Q, W V und U Diskussion Aufgabe Phase : t 7,5 s ; s 0,5 a t 0 t a Phase : Phase 3: t 5,0 s ; s3 0,5 a3 t3 t3 a3 Diagrae s t , µ g s 54,k h Aufgabe 4 6 Zeichnung r g tan α,8 s

9 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) EWATETE PÜFUNSLEISTUNEN Thea : Bewegungen in Feldern BE Aufgabe 0 Aufbau, Durchführung und Auswertung der Schwebeethode nach Millikan anhand einer Schaltskizze Trofen g d Herleitung on q n e U Aufgabe. U e 6 s 5,93 0. U B d 47,4 V.3 U l y 4 U d y 0,95 c ist unabhängig on und q Aufgabe D l U U t 3 ind ind t W Eintauchen : a t 0,08 s Austreten : a B ( ) 0,5 s a B V V i Magnetfeld : U ind 0 t b a 0,08 s U ind t Diagra 3. Nennen der Änderungen und Begründungen Aufgabe 4 8 4π r M γ T M a γ r 3 Uranus Uranus M Uranus 8,8 s 8, kg

10 SCHIFTLICHE ABITUPÜFUN 003 PHYSIK (UNDKUS) EWATETE PÜFUNSLEISTUNEN Thea 3: Stoßrozesse in der Makro- und Mikrohysik BE Aufgabe eschwindigkeit der Wagen nach de Srung: s 4,80 ) ( u und s,6 u Angeben der ichtungen Absrunggeschwindigkeit: s 0 Aufgabe. s,98 h g s 0,50 u Begründung. Begründung, z. B. it Energieerhaltungssatz Aus und h g folgt s 0,57 h g Begründung it Iulserhaltungssatz Aufgabe Erläuterung 3. Erklärung 3.3 Erläuterung Zusaenhang λ c h E