- E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer. Allgemeine Arbeitshinweise

Transkript

1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Schuljahr 2006/2007 Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Physik - E R S T T E R M I N - Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich Zeit für Lesen und Auswählen von Aufgaben) beträgt 270 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C. Insgesamt sind 60 Bewertungseinheiten (BE) erreichbar, davon im Teil A 25 BE, im Teil B 20 BE, im Teil C 15 BE. Erlaubte Hilfsmittel: - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - Grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra-System - Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele - Zeichengeräte Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 1 von 8

2 Prüfungsinhalt Teil A: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Aufgabe A: Mechanik / Elektrizitätslehre 1 Ein Lieferwagen der Masse 2,5 t wird aus dem Stillstand durch eine konstante Kraft mit dem Betrag 3,0 kn beschleunigt. Nachdem die Geschwindigkeit km 72 erreicht ist, fährt der Lieferwagen gleichförmig weiter. Zum Zeitpunkt h des Losfahrens befindet sich 45 m hinter dem Lieferwagen ein Pkw, der sich km mit der konstanten Geschwindigkeit 54 in die gleiche Richtung bewegt. h 1.1 Berechnen Sie den Weg, den der Lieferwagen in den ersten 30 Sekunden nach dem Losfahren zurücklegt. 1.2 Die Bewegung des Lieferwagens wird in den ersten 30 Sekunden nach dem Losfahren vom Fahrer des Pkw beobachtet. Zeichnen Sie das v(t) Diagramm für die Bewegung des Lieferwagens bezogen auf ein System, in dem der Pkw ruht. 1.3 Während ihrer Fahrt befinden sich Lieferwagen und Pkw genau zweimal nebeneinander. Bestimmen Sie die Entfernung dieser Orte voneinander. 1.4 Auf der Ladefläche des Lieferwagens steht ein für die Be- und Entladung benötigter kleiner Transportwagen. Dieser ist mit zwei gespannten Sicherungsbändern befestigt. Bänder Die Bänder üben im Stillstand Kräfte auf die vordere und die hintere Bordwand aus. Beschreiben Sie, wie sich diese Kräfte infolge des Losfahrens verändern. Erklären Sie die Veränderung der Kraft auf die vordere Bordwand. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 2 von 8

3 2 Elektromagnetische Induktion 2.1 Vergleichen Sie die Funktionsprinzipien von Generator und Transformator. 2.2 In einem homogenen, magnetischen Feld der Flussdichte 1,5 T werden Experimente mit einer quadratischen Leiterschleife der Kantenlänge 15 cm durchgeführt Experiment 1: Die Leiterschleife ist offen und rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit Magnetfeld. Rotationsachse liegt in der Zeichenebene B - Feldlinien senkrecht zur Zeichenebene Leiterschleife s im Bestimmen Sie den Maximalwert der induzierten Wechselspannung Experiment 2: Die untere Kante der offenen Leiterschleife ruht bei s = 0. Zum Zeitpunkt 0 wird die Leiterschleife in das Magnetfeld fallen gelassen. Ist deren obere Kante bei s = 30 cm angekommen, endet das Experiment cm s Nebenstehende Skizze zeigt das U ind( t ) -Diagramm für den Vorgang. Begründen Sie den Verlauf des Graphen. Berechnen Sie den Maximalwert der induzierten Spannung. 0 U ind in V t in s Erreichbare BE-Anzahl: Experiment 3: Die Leiterschleife ist geschlossen und wird wie in Teilaufgabe fallen gelassen. Die Fallzeit vom Loslassen bis zum vollständigen Eintauchen ins Magnetfeld wird gemessen. Vergleichen Sie diese qualitativ mit der entsprechenden Fallzeit von Experiment 2 und begründen Sie. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 3 von 8

4 Teil B: Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe: Aufgabe B: Optische Eigenschaften von Stoffen 1 Geschliffene Diamanten werden als Schmucksteine genutzt. Auf Grund der großen Brechzahl und der Anordnung der Flächen wird ein hoher Anteil des einfallenden Lichts total reflektiert. 1.1 Nennen Sie allgemein die Bedingungen für das Entstehen von Totalreflexion und leiten Sie die Gleichung zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion aus dem Brechungsgesetz her. 1.2 Ein Bündel weißen Glühlichts trifft, wie in der Abbildung dargestellt, unter dem Winkel 0 90 auf den Diamanten. Der Grenzwinkel der Totalreflexion beträgt für violettes Licht 24,08 und für rotes Licht 24,55. Einfallslot α 33,2 40,8 Luft Weisen Sie nach, dass es für jeden Winkel an der Fläche A zur Totalreflexion kommt. A Symmetrieachse Der violette Lichtanteil durchläuft den Diamanten gemäß Abbildung. Übernehmen Sie die Abbildung und skizzieren Sie den Strahlenverlauf des roten Lichtanteils bis zum Wiederaustritt aus dem Diamanten. Die spektrale Zerlegung muss erkennbar sein. 2 Linsenoberflächen werden zur Verringerung von Reflexionen mit einer lichtdurchlässigen Schicht bedampft ( Entspiegelung der Linse). Erläutern Sie allgemein die Interferenz an dünnen Schichten und begründen Sie die Möglichkeit der Nutzung dieser Erscheinung zur Reflexionsminderung. 3 In einem Experiment soll nachgewiesen werden, dass eine Flüssigkeit optisch aktiv ist. Beschreiben und begründen Sie eine mögliche Vorgehensweise. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 4 von 8

5 4 Bei der Ortsbestimmung durch Satellitennavigation müssen die Laufzeiten t von Signalen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sehr exakt gemessen werden. Deshalb ist die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Druck zu berücksichtigen. Bei der konstanten Temperatur 20 C gilt für die Druckabhängigkeit der Brechzahl von Luft: n( p) 1 0, p 101,3 kpa Ein Signal durchläuft die Strecke 10 km in Luft, einmal bei dem Druck 101,0 kpa und einmal bei 102,0 kpa. Bestimmen Sie den Laufzeitunterschied t. Leiten Sie eine Gleichung für die Abhängigkeit t f ( p ) her. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 5 von 8

6 Teil C: Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C1: Stoßvorgänge Führen Sie Untersuchungen zum Stoß eines Tischtennisballs an zwei verschiedenen horizontalen Unterlagen durch. Die eine Unterlage besteht aus einer ca. 1cm dicken Mehlschicht, die andere aus hartem Material. Der Tischtennisball soll jeweils aus dem Abstand 1,0 m frei auf die Unterlage fallen, es entstehen kreisförmige Abdrücke. Hinweise: Alle notwendigen Geräte werden Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer übergeben. Er teilt Ihnen auch Masse und Radius des Tischtennisballs mit. 1 Messen Sie mehrmals die Durchmesser d der kreisförmigen Abdrücke des Tischtennisballs und bestimmen Sie beide Mittelwerte. Glätten Sie die Mehlschicht vor jedem Stoßvorgang mit dem zur Verfügung gestellten Gegenstand. Der Durchmesser auf der harten Unterlage wird messbar, indem auf die Unterlage ein Blatt Millimeterpapier und darüber ein Blatt Kohlepapier mit der Kohleschicht nach unten gelegt wird. 2 Vergleichen Sie beide Vorgänge qualitativ hinsichtlich der Energieänderungen, jeweils für den Zeitraum vom Loslassen bis zum erstmaligen Erreichen der Geschwindigkeit 0. 3 Aus dem Durchmesser d des kreisförmigen Abdrucks und dem Radius r des 2 d Tischtennisballs lässt sich mit r r s 2 die Länge der Strecke s berechnen, längs der der Tischtennisball von der Geschwindigkeit unmittelbar 2 vor dem Stoß auf die Geschwindigkeit 0 abgebremst wird. Außerdem wird angenommen, dass beim Abbremsen eine konstante Bremskraft wirkt. 3.1 Geben Sie für beide Stoßvorgänge jeweils die Streckenlänge s an Berechnen Sie jeweils die Bremskraft und die zum Abbremsen auf die Geschwindigkeit 0 erforderliche Zeit. Begründen Sie den Unterschied zwischen den Bremskräften. 3.3 Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch. Erreichbare BE-Anzahl: 5 Erreichbare BE-Anzahl: 1 Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 6 von 8

7 Aufgabe C 2: Volumenänderung von Flüssigkeiten Führen Sie Untersuchungen zur Volumenänderung von Wasser bei Temperaturänderung durch. Ihnen steht dazu die nebenstehende Experimentieranordnung zur Verfügung. Steigrohr Messstab Kolben Thermometer Wasserbad elektrische Heizplatte 1 Erwärmen Sie das im Kolben eingeschlossene Wasser bis zur Endtemperatur max und nehmen Sie eine Messreihe zur Abhängigkeit des Flüssigkeitsstands im Steigrohr von der Temperatur auf. Die Endtemperatur wird Ihnen vom Aufsicht führenden Lehrer mitgeteilt. 2 Messen Sie danach: - das Volumen des insgesamt in Kolben und Steigrohr enthaltenen Wassers mit einem Messzylinder sowie - den Innendurchmesser des Steigrohrs. 3 Stellen Sie die Abhängigkeit der Volumenzunahme V von der Temperaturzunahme T grafisch dar. Es soll näherungsweise angenommen werden, dass diese Änderung mit einer linearen Funktion beschrieben werden kann. Ermitteln Sie unter Verwendung aller Messwertepaare einen Näherungswert des Volumenausdehnungskoeffizienten von Wasser. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 7 von 8

8 4 In einem Tabellenbuch ist die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben: in C in g. cm -3 0,9997 0,9982 0,9956 0,9922 0,9880 Ermitteln Sie den Volumenausdehnungskoeffizienten aus diesen Wertepaaren. 5 Nennen Sie zwei Gründe für mögliche Abweichungen zwischen dem aus Ihren Messwerten bestimmten Näherungswert und dem Ergebnis von Aufgabe 4. 6 Maßkolben werden in der quantitativen Analytik benutzt, um das Volumen von Lösungen genau auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Aus dem Volumen (und der Dichte) kann man auf die Masse der Lösung schließen. Ein solcher Maßkolben (siehe Abb.) ist für die Temperatur 20 C und für das Volumen 100 ml geeicht. Der Maßkolben ist bis zum Eichstrich mit einer Lösung der Temperatur 25 C gefüllt. Der Volumenausdehnungskoeffizient der Lösung beträgt 2, K -1. Eichstrich Ermitteln Sie, um wie viel Prozent sich das Volumen der Lösung verringert, wenn die Temperatur auf 20 C sinkt. Hinweis: Die Ausdehnung des Glases kann vernachlässigt werden. Signatur 55/1 (Phys-LK-ET/Ma) Seite 8 von 8