Zur Abiturvorbereitung

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1 Zur Abiturvorbereitung Für das schriftliche Abitur stellt das Ministerium drei Aufgaben, von denen ich zwei auswählen muss. Diese beiden Aufgaben sind dann in 180 Minuten zu bearbeiten. Die erreichbaren Bewertungseinheiten sind für die einzelnen Teilaufgaben angegebene, maximal sind 100 BE zu erreichen. Die Bewertungseinheiten können auch bei der Zeiteinteilung helfen. Rechnet man 1½ Minuten für eine Bewertungseinheit, so bleibt noch eine halbe Stunde zum Nachdenken und für Fehlersuche. Außerdem sollte man einkalkulieren, dass das Arbeitstempo im Lauf der drei Stunden etwas nachlässt. Der Lehrplan wird von unserem Physikbuch vollständig abgedeckt. Nicht mehr im Lehrplan enthalten sind folgende Lerninhalte: Alte Ausgabe: 3.4 Das radialsymmetrische Gravitationsfeld 3.5 Verschiebungsarbeit und potentielle Energie im Gravitationsfeld Energie eines Satelliten Neue Ausgabe: 7 Eine Durchsicht der Abituraufgaben der letzten Jahre zeigt, dass folgende Modelle und Experimente zum "aktiven Wissensschatz" gehören sollten: Luftkissenfahrbahnversuche Versuch zur Messung der Fallbeschleunigung Gravitationsdrehwaage Stoß (elastisch, unelastisch) Versuch zur Bestimmung von ε 0 Coulomb'sche Drehwaage Elektrofeldmeter Flammensonde Braun'sche Röhre Millikanversuch Leiterschaukel Stromwaage Hallsonde Fadenstrahlrohr Geschwindigkeitsfilter Induktionsversuche: Bewegung eines geraden Leiters Flächenänderung Flussdichteänderung (linear und sinusförmig) Drehung einer Spule im homogenen Magnetfeld Versuche zur Lenz'schen Regel (Ringversuch, Waltenhoff'sches Pendel) Versuch zur Selbstinduktion Ein- und Ausschaltvorgänge Federpendel, Flüssigkeitspendel, Fadenpendel Wechselstromwiderstände Experiment zum Nachweis der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Außerdem müssen die verschiedenen Techniken zur Auswertung von Messreihen beherrscht werden. Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 1 -

2 Fragenkatalog zur Abiturvorbereitung Mechanik Erklären Sie, weshalb ein Astronaut in einer antriebslos fliegenden Raumkapsel schwerelos ist. Beschreiben Sie kurz, wie man die Momentangeschwindigkeit messen kann. Stoß Zeigen Sie allgemein, dass bei einem zentralen Stoß zweier Massen aus den Stoßgesetzen folgt: mv 1 1+ mv 2 2 bei einem vollkommen unelastischen Stoß: u = m1+ m2 2 m1 bei einem vollkommen elastischen Stoß gegen eine ruhende Masse m 2 : u 2 = v1 m1 + m 2 Erklären Sie, was man unter einem zentralen Stoß versteht. Wie kann man zeigen, dass ein Stoß nicht vollkommen elastisch, aber auch nicht vollkommen unelastische erfolgt ist? Erläutern Sie, was man unter einem vollkommen unelastischen Stoß versteht. Gravitation Beschreiben Sie einen Versuch, mit dem die Gravitationskonstante experimentell bestimmt werden kann. Beschreiben Sie anhand einer Skizze einen Versuch, mit dem die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern der Masse m 1 und m 2 experimentell bestimmt werden kann. Zeigen Sie mit Hilfe des Gravitationsgesetzes, dass für die Konstante C des 3. Kepler schen Gesetzes gilt: 2 4 π C = * G m Zentralkörper Leiten Sie, ausgehend vom Gravitationsgesetz, die Beziehung T²= C r³ für den Sonderfall her, dass sich Planeten auf Kreisbahnen mit dem Radius r um die Sonne bewegen. Kann ein Raumschiff einen Planeten antriebslos auf einer Bahn umkreisen, deren Bahnebene nicht den Schwerpunkt des Planeten enthält? Begründen Sie Ihre Antwort. Begründen Sie ohne Rechnung, dass beim antriebslosen Umlauf auf einer Kreisbahn die Gravitationskraft an einem Raumschiff keine Arbeit verrichtet. Erläutern Sie den Begriff geostationärer Satellit, und erklären Sie, warum die geostationäre Bahn in der Äquatorebene liegen muss, wenn sich der Satellit antriebslos bewegt. Schwingungen Beschreiben Sie mit Worten, wie die Periodendauer T experimentell bestimmt werden kann. Bestätigen Sie durch eine allgemeine Rechnung, dass eine Flüssigkeit in einem U-Rohr harmonisch schwingt. Beschreiben Sie, wie die Flüssigkeitssäule zu Schwingungen angeregt und die Schwingungsdauer gemessen werden kann. Leiten Sie aus dem linearen Kraftgesetz eine Formel her, mit der sich die Periodendauer der Schwingung errechnen lässt. Weisen Sie durch allgemeine Rechnung nach, dass die Gesamtenergie des (horizontalen) Federpendels während einer Schwingung konstant bleibt. Weisen Sie anhand eines Kräfteplans nach, dass ein Fadenpendel für kleine Auslenkungen ϕ harmonisch schwingt und für die Richtgröße D des Fadenpendels gilt: Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 2 -

3 m g D = l Bestätigen Sie, dass bei kleinen Auslenkwinkeln für die Periodendauer der Pendelschwingung gilt: l T = 2π g Erzwungene Schwingung, Resonanz Erläutern Sie anhand geeigneter Diagramme und mit Worten, wie die Amplitude und die Phasendifferenz von der Frequenz des Erregers abhängen. Elektrische Feldkonstante Beschreiben Sie einen Versuch zur Bestimmung der elektrischen Feldkonstanten ε 0 und leiten Sie eine Beziehung zwischen ε 0 und den zu messenden Größen her. Plattenkondensator Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man feststellen kann, welche Platte positiv geladen ist. Untersuchen Sie, wie sich Ladung, Spannung, el. Feldstärke, Verschiebungsdichte im Kondensator ändern, wenn der Plattenabstand bei angeschlossener Spannungsquelle (bei abgetrennter Spannungsquelle) verdoppelt wird (wenn ein Dieelektrikum eingeschoben wird, das den Innenraum vollständig ausfüllt). Die Gleichspannungsquelle wird abgetrennt und der Plattenabstand von d 0 auf d 1 verändert. Berechnen Sie allgemein die Änderung des Energieinhalts des el. Felds in Abhängigkeit von d 0 und d 1. Leiten Sie unter Anwendung des Energieerhaltungssatzes die Formel F = 0,5 E D A für den Betrag der Anziehungskraft zwischen den Kondensatorplatten her. In einem Versuch soll die Kapazität C in Abhängigkeit des Plattenabstands d untersucht werden. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze zu diesem Versuch an. Erläutern Sie die Durchführung dieses Versuchs und geben Sie an, wie die Kapazität C bestimmt wird. Der Betrag E der elektrischen Feldstärke soll experimentell bestimmt werden. Zur Verfügung stehen zwei an Isolierstäben befestigte Aluminiumplättchen mit gleicher Form, ein ladungsempfindlicher Messverstärker und ein Maßstab. Beschreiben Sie die Durchführung des Versuchs mit den Influenzplättchen. Geben Sie die zu messenden Größen an. Ermitteln Sie eine Formel, mit der sich E aus den gemessenen Größen berechnen lässt. Wie kann man die Influenzplättchen vollständig entladen. Flammensonde In einem Versuch soll der Potentialverlauf in einem el. Feld untersucht werden. Zeichnen Sie eine Schaltskizze zu diesem Versuch. Erläutern Sie kurz die Aufgabe der Flamme bei der Flammensonde. Erklären Sie die Funktionsweise der Flammensonde. Coulomb-Gesetz Beschreiben Sie anhand einer Skizze einen Versuchsaufbau, mit dem der Betrag der Coulombkräfte, die zwei kleine, elektrisch geladene Kugeln aufeinander ausüben, bestimmt werden kann. Erläutern Sie die Funktionsweise der Versuchsanordnung. In einem Versuch soll der Betrag E der elektrischen Feldstärke von der Ladung Q der Kugel und von der Entfernung r vom Kugelmittelpunkt untersucht werden. Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus mit den notwendigen Geräten an. Millikanversuch Erklären Sie knapp die "Schwebefeldmethode". Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 3 -

4 Skizzieren Sie die Versuchsanordnung mit Polung der Platten, Kräfte, Feldstärke für ein neg. geladenes Öltröpfchen. beschreiben Sie die Durchführung des Öltröpfchenversuchs nach der Schwebemethode. Erläutern Sie kurz, wie man aufgrund dieser Versuche auf die Existenz einer Elementarladung schließen konnte. Leiten Sie eine Formel für die Bestimmung der Ladung des Tröpfchens (... in Abhängigkeit von Tröpfchenradius r, Plattenabstand d, Kondensatorspannung U, Dichte ρ...) her. Nennen Sie Gründe, die eine exakte Ladungsbestimmung mit der Schwebefeldmethode erschweren. Begründen Sie, ob sich das Schweben eines geladenen Öltröpfchens auch mit einem homogenen Magnetfeld erreichen lässt. Erläutern Sie die historische Bedeutung des Millikan-Experiments. Erklären Sie, wie aus den Ergebnissen vieler Versuche auf den quantenhaften Charakter der elektrischen Ladung von Öltröpfchen geschlossen werden kann, und erläutern Sie dabei den Begriff Elementarladung. Halleffekt: Erläutern Sie anhand einer übersichtlichen Skizze den Halleffekt, der an einem dünnen Silberplättchen zu beobachten ist und begründen Sie qualitativ das Zustandekommen, der Hallspannung. Gehen Sie dabei insbesondere auf die auftretenden Kräfte ein. Zeigen Sie mit Hilfe eines geeigneten Kraftansatzes, dass die Hallspannung proportional zu Flussdichte B des magnetischen Feldes ist, das die Platte durchsetzt. Welche Anwendung findet dieser Umstand bei Hallsonden? Hallsonde Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze die Funktionsweise der Hallsonde. Erläutern Sie dabei auch die auf einen Ladungsträger wirkenden Kräfte. Zeigen Sie durch allgemeine Herleitung, wie die Hallspannung U H vom Betrag B der magnetischen Flussdichte abhängt. Geschwindigkeitsfilter Erläutern Sie, warum man durch geeignete Wahl der beiden Felder erreichen kann, dass nur Protonen einer bestimmten Geschwindigkeit den Kondensator geradlinig passieren. Geben Sie die Richtung der el. Feldstärke und der magn. Flussdichte in einer Skizze an. Bewegung geladener Teilchen im el. Längsfeld Nach dem Durchlaufen der Beschleunigungsspannung U besitzt ein Elektron eine Geschwindigkeit vom Betrag v 0. Leiten Sie eine Formel her, die aufzeigt, wie v 0 von U abhängt. Erläutern Si dabei Ihren physikalischen Ansatz mit Worten Bewegung geladener Teilchen im el. Querfeld Begründen Sie, auf welcher Bahnkurve sich die Teilchen im el. Querfeld bewegen. Leiten Sie allgemein die Gleichung der Bahnkurve in einem geeigneten Koordinatensystem her. Begründen Sie, dass die Energie der Elektronen nach dem Durchlaufen des el. Querfeldes zugenommen hat. Auf welchen Bahnkurven bewegen sich die Elektronen nach dem Verlasen des Kondensators. Begründen Sie Ihre Antwort. Erläutern Sie anhand einer Skizze, wie in einer Braun schen Röhre freie Elektronen erzeugt und auf eine Geschwindigkeit vom Betrag v 0 beschleunigt werden. Fertigen Sie eine beschriftete Skizze an, welche die wesentlichen Bauteile einer Braun schen Röhre enthält. Erklären Sie die Funktionsweise der Braun schen Röhre, indem Sie die Funktion der einzelnen Bauteile und deren Zusammenwirken kurz erläutern. Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 4 -

5 Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld Geladene Teilchen treten senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetfeld ein. Begründen Sie, warum der Geschwindigkeitsbetrag konstant bleibt und die Teilchen sich auf einer Kreisbahn bewegen Fadenstrahlrohr Erläutern sie das Entstehen des Elektronenstrahls beim Fadenstrahlrohr. Weisen Sie durch allgemeine Rechnung nach, dass die Umlaufszeit T eines Elektrons nur vom Betrag B der magnetischen Flussdichte abhängt. Induktion Eine Spule wird durch ein scharf begrenztes, homogenes Magnetfeld bewegt. Erklären Sie, weshalb ein Induktionsstrom in der Spule nur fließt, während diese in den vom Magnetfeld erfüllten Raum ein- bzw. austritt. Begründen Sie, weshalb während des Ein- und Austritts eine Kraft wirkt und geben Sie die Richtung der Kraft an. Geben Sie in einer Skizze die Kräfte an, die beim Eintauchen (von oben) einer Induktionsspule in ein homogenes Magnetfeld auf ein Elektron in einem unteren Querleiter der Spule wirken, wenn Magnetfeld, Leiter und Geschwindigkeit paarweise aufeinander senkrecht stehen. Leiten Sie ausgehend von einem Kraftansatz eine Formel her, die aufzeigt, wie U von N i, B, b, und v abhängt. In einer langgestreckten Feldspule befindet sich eine koaxiale Induktionsspule. Begründen Sie ohne Rechnung, dass bei linearem Anstieg der Stromstärke in der Feldspule eine konstante Spannung in der Induktionsspule induziert wird. Eine Spule wird im Innern einer Feldspule gedreht. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze des Versuchsaufbaus zur Messung von I eff, f und Û mit allen notwendigen Geräten an. Unter Verwendung einer langgestreckten, leeren Feldspule und einer kleinen, flachen Induktionsspule soll an den Enden der Induktionsspule eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt werden. Beschreiben Sie eine Möglichkeit, mit der dies realisiert werden kann. Eine Spule wird im Innern einer Feldspule gedreht. Ergibt sich eine Wirkung auf die Induktionsspule, wenn die Querschnittsflächen beider Spulen senkrecht aufeinander stehen? Begründung? Selbstinduktion Eine Spule wird mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet und mit einer Spannungsquelle verbunden. Mit einem Oszilloskop wird der zeitliche Verlauf der Spannung U R (t) am Widerstand beim Einschalten ermittelt. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze an. Erklären Sie, warum man von U R (t) auf den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I L (t) schließen kann, und erläutern Sie, warum U R (t) seinen Maximalwert erst allmählich erreicht. Leiten Sie allgemein aus dem Induktionsgesetz die Induktivität einer langgestreckten luftgefüllten Spule her. Kapazitiver und induktiver Widerstand, Phasenverschiebung Ermitteln Sie - ausgehend von U(t) = Û sin(2 π f t) - eine Gleichung für den zeitlichen Verlauf der Stromstärke I C im Wechselstromkreis (der Ohmsche Widerstand sei vernachlässigbar klein). Leiten Sie aus dem Ergebnis ab, dass der kapazitive Widerstand X C eines Kondensators indirekt proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung ist. Fertigen Sie eine Schaltskizze mit den erforderlichen Messgeräten an und erläutern Sie, wie man X C damit bestimmen kann. Leiten Sie aus dem Ergebnis ab, dass der kapazitive Widerstand X C eines Kondensators indirekt proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung ist. Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 5 -

6 Fertigen Sie eine Schaltskizze zu einem Versuch an, mit dem die Phasenverschiebung zwischen U C (t) und I C (t) sichtbar gemacht werden kann. Erläutern Sie die Funktionsweise dieser Schaltung. In einem Versuch soll die Abhängigkeit des induktiven Widerstandes X L von der Induktivität L und der Frequenz f der angelegten sinusförmigen Wechselspannung untersucht werden. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze des Versuchsaufbaus mit allen notwedigen Geräten an. Beschreiben Sie die Durchführung und die Auswertung des Versuchs. Geben Sie das zu erwartende Ergebnis an. Fertigen Sie eine beschriftete Schaltskizze zu einem Versuch, mit dem die Phasenverschiebung zwischen der Spannung U L an der Spule und der Stromstärke I L sichtbar gemacht werden kann. Begründen Sie, dass bei Ihrer Schaltung der zeitliche Verlauf von U L und der von I L dargestellt werden. Hinweise zur Abivorbereitung.doc - 6 -