Lösungen zur Abiturprüfung Physik - Leistungskurs

Transkript

1 Lösungen zur Abiturprüfung 2001 Physik - Leistungskurs Teil A Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1. Ein Wagen mit der Gesamtmasse 430 kg durchfährt eine Achterbahn, ein Ausschnitt aus dieser in in der Abbildung dargestellt. Alle Punkte liegen in einer vertikalen Ebene. Für Höhen und Streckenlängen gelten folgende Angaben: h A = 0 m h B = 21,0 m und AB = 34,0 m Reibungsverluste werden vernachlässigt. Der Wagen kann als Massepunkt aufgefasst werden Im Punkt A erfasst der Zughaken eines Schrägaufzuges den ruhenden Wagen und beschleunigt ihn gleichmäßig in 2,50 s auf 1,30 ms -1. Mit dieser Geschwindigkeit wird er bis zum Punkt B gezogen. Berechnen Sie die maximale Zugkraft am Haken. Die Zugvorrichtung besitzt einen Wirkungsgrad von 89,0%. Berechnen Sie die vom Antriebsmotor im Abschnitt A-B aufgebrachte durchschnittliche Leistung. Erreichbare BE-Anzahl: Vom Punkt B aus rollt der Wagen horizontal zum Punkt C und beginnt dort seine Talfahrt. Beschreiben Sie für die Bewegungsabschnitte C-D; D-E; E-F und F-G jeweils qualitativ die Änderung der Beträge von Bahngeschwindigkeit, Bahnbeschleunigung und senkrecht auf die Gleise wirkender Kraft. Abschnitt Bahngeschw. Bahnbeschl. Normalkraft C-D nimmt gleichmäßig zu konstant konstant D-E nimmt zu nimmt ab nimmt zu E-F konstant 0 F N = F G = konst. F-G nimmt zu nimmt zu nimmt ab Erreichbare BE-Anzahl: 6 2. Kondensator Liegt zwischen A und B in der abgebildeten Schaltung die Gleichspannung 18,0 V an, so stellt sich die Gesamtstromstärke 500 ma ein. Begründen Sie, dass die Anfangsstromstärke 500 ma übersteigt.

2 Berechnen Sie den Widerstand R 1 des ohmschen Bauelementes. Beim Einschalten kommt es kurzzeitig zum Aufladen des Kondensators. Der Ladestrom wird nach Gesetzen des verzweigten Stromkreises zum Strom von 500 ma addiert Ersetzt man die Gleichspannung durch die Wechselspannung 18,0 V (Frequenz 50,0 Hz), so beträgt die Gesamtstromstärke 545 ma. Berechnen Sie die Kapazität C des Kondensators. Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm und geben Sie den Betrag der im Stromkreis auftretenden Phasenverschiebung zwischen U ges und I ges an. Parallelschaltung von Wechselstromwiderständen: Das ohmsche Bauelement R 1 wird nun durch eine Spule ersetzt, um die Phasenverschiebung zwischen der anliegenden Spannung und der Gesamtstromstärke aufzuheben. Berechnen Sie die Induktivität dieser Spule. Der ohmsche Widerstand der Spule darf vernachlässigt werden. Für bis erreichbare BE-Anzahl: Ein Kondensator wird aufgeladen. Durch Betätigen eines Umschalters zum Zeitpunkt t=0 wird der Kondensator über ein ohmsches Bauelement mit R = 52,2 kw entladen und die Stromstärke zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Zum Zeitpunkt t=0 beträgt die Spannung am Kondensator 180 V. Es ergibt sich folgende Messreihe: t in s 2,0 4,0 6,0 8, I in ma 2,2 1,4 0,86 0,54 0,34 0,22 0,14 0,086 0,054 0, Geben Sie die Stromstärke zum Zeitpunkt t = 0 an. 1. Möglichkeit: 2. Möglichkeit: Bestimmen des Schnittpunktes mit der y-achse mit dem GTR Ermitteln Sie die Gesamtladung des Kondensators und geben Sie dessen Kapazität an. Eingabe der Wertepaare in den GTR, Regression nach e x. Kurve zeichnen, Integration im bestimmten Zeitintervall: Für und erreichbare BE-Anzahl: 4

3 Lösungen zur Abiturprüfung 2001 Physik - Leistungskurs Teil B Aufgabe B: Thermodynamik / Wellenoptik Carnot'scher Kreisprozess 1. Skizzieren Sie das p-v-diagramm des Carnot'schen Kreisprozesses und ordnen Sie die jeweiligen Zustandsänderungen zu. I - II Isotherme Expansion II - III Adiabatische Expansion III - IV Isotherme Kompression IV - I Adiabatische Kompression Erreichbare BE Anzahl: Berechnen Sie die Masse des eingeschlossenen Gases. 2. Der in der Abbildung dargestellte Kreisprozess wird von Argongas im Uhrzeigersinn durchlaufen. Dabei gilt für Zustand 1: p 1 = 100 kpa, V 1 = 125 l, und T 1 = 300K. Die Zustandsänderung vom Zustand 2 nach Zustand 3 verläuft isotherm Geben Sie die Temperatur im Zustand 2 an. Für 2.1 und 2.2 erreichbare BE Anzahl: Bestimmen Sie für die einzelnen Zustandsänderungen jeweils die übertragene Wärme, die Volumenarbeit und die Änderung der inneren Energie. Prozess 1-2: Prozess 2-3: Prozess 3-1: 2.4. Ermitteln Sie den thermodynamischen Wirkungsgrad dieses Kreisprozesses. Erreichbare BE Anzahl: 6

4 Erreichbare BE-Anzahl: 2 3. Eine schwach gekrümmte plankonvexe optische Linse liegt auf einer planparallelen Glasplatte. Auf die Anordnung fällt paralleles, einfarbiges Licht. Im reflektierten Licht beobachtet man unter gewissen Bedingungen helle und dunkle Ringe. Erklären Sie deren Entstehung. Reflexion der Lichtwellen erfolgt zum Teil an der unteren Linsenkrümmung und bei senkrechtem Einfall auch an der Oberseite der Glasplatte. Durch unterschiedliche opt. Weglängen und durch Phasensprung um p/2 an der Glasplatte entsteht ein Gangunterschied zwischen den Teilwellen des monochromatischen Lichtes. Diese Interferenz führt zu kreisförmigen Gebieten mit maximaler Verstärkung und solcher mit Auslöschung, die als helle und dunkle Ringe (NEWTONsche Ringe) sichtbar werden. Erreichbare BE Anzahl: Optische Aktivität von Stoffen Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem entschieden werden kann, ob eine Lösung optisch aktiv ist! Benötigt werden: (Monochromatische) Lichtquelle, 2 Polarisationsfilter (1 Polarisator und 1 Analysator), Küvette für die zu untersuchende Lösung. Verfahrensweise: Zunächst werden ohne eingesetzte Küvette Polarisator und Analysator senkrecht zueinander eingestellt, so dass das polarisierte Licht bei direkter Beobachtung möglichst vollständig ausgelöscht wird. Anschließend wird zwischen die beiden Filter die zu untersuchende Lösung gebracht. Erfolgt jetzt eine Aufhellung, so wurde die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes gedreht, die Lösung ist optisch aktiv. Je nachdem, in welche Richtung der Analysator nachzudrehen ist, um wieder vollständige Dunkelheit zu erreichen, kann in rechts- oder linksdrehende, optisch aktive Lösungen unterschieden werden. Erreichbare BE Anzahl: 3

5 Lösungen zur Abiturprüfung 2001 Physik - Leistungskurs Teil C Aufgabe C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1: Elektrizitätslehre Führen Sie Messungen und Berechnungen an einer SI-Diode durch. Planen Sie das Experiment gemäß den folgenden Aufgabenstellungen und fordern Sie beim Aufsicht führenden Lehrer die erforderlichen Geräte und Hilfsmittel an. 1. Untersuchen Sie experimentell die Abhängigkeit der Stromstärke in Durchlassrichtung von der über der Diode anliegenden Spannung U D. Verwenden Sie dabei den Ihnen übergebenen Vorwiderstand (Schutzwiderstand). Fertigen Sie eine zugehörige Schaltskizze an. Schaltskizze: Beachten: Spannungsrichtige Schaltung (in der Aufgabenstellung: über die Diode), Messung im kleinen Spannungsbereich, damit Schwellenwert der Spannung erkennbar wird. Erreichbare BE Anzahl: 5 2. Berechnen Sie jeweils den Widerstand R D der Diode und zeichnen Sie das zugehörige R D - U D - Diagramm.

6 Erreichbare BE Anzahl: 3 3. Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Beurteilen der Genauigkeit der Messwerte sowie der Ergebnisse) 4. (Diese Teilaufgabe ist nicht experimentell zu bearbeiten.) Erreichbare BE Anzahl: 1 Ein ohmsches Bauelement mit dem Widerstand R = 1,0 kω wird parallel zur von Ihnen in Aufgabe 1 verwendeten Diode geschaltet. An zwei Stellen im Stromkreis wird die Stromstärke gemessen (siehe Abb.). Beide Messgeräte zeigen annähernd gleiche Messwerte. Entscheiden Sie: ob die Diode in Durchlass - oder in Sperrrichtung geschaltet wurde, ob die anliegende Spannung 0,2 V oder 0,8 V beträgt. Begründen Sie jeweils. Bei annähernd gleichen Messwerten der beiden Messgeräte muss R D << R sein, Diode ist damit in Durchlassrichtung gepolt. Die Diode hat die Schwellenspannung überschritten, also beträgt die anliegende Spannung mindestens 0,5 V, hier also 0,8 V 5. Erläutern Sie die Sperrwirkung einer Halbleiterdiode. Erreichbare BE Anzahl: 4 Kombination eines p- und eines n-dotierten Gebietes, zwischen beiden entsteht eine schmale, ladungsträgerarme Grenzschicht, Sperrwirkung tritt ein, wenn am n -Gebiet + -Pol und am p-gebiet - - Pol anliegt, Elektronen aus dem n-gebiet werden abgesaugt, Defektelektronen werden mit Elektronen besetzt, Grenzschicht verbreitert sich damit und verhindert einen größeren Stromfluss als den der Rekombination Erreichbare BE Anzahl: 2