Zentrale schriftliche Abiturprüfung Physik. Leistungskurs. für Prüflinge Aufgabenstellung A1

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1 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2008 Physik Teil A (Wahl für Lehrkräfte) für Prüflinge Aufgabenstellung A1 Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Elektrodynamik Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung Gleich- und Wechselspannungsquelle für Schülerversuche, Spule mit der Windungszahl N mit U- und I-Kern, Kondensator mit der Kapazität C, Vielfachmessgerät, Verbindungsleiter 4 Zeitstunden Seite 1 von 3 Physik 08_Ph_A_L_A1_2.doc

2 Aufgaben: 1 Wechselstromwiderstände 1.1 Schülerexperiment BE* Weisen Sie experimentell nach, dass die Gesetze für Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen zweier Bauelemente im Gleichstromkreis nicht uneingeschränkt auf den Wechselstromkreis übertragen werden können. Bestimmen Sie außerdem die Induktivität L der verwendeten Spule Experiment (16) Bauen Sie die notwendigen Schaltungen auf, um die Anwendbarkeit der Gesetze zu überprüfen. Fertigen Sie ein Messprotokoll an. Dieses Protokoll soll enthalten: - Angabe der überprüften Gesetze, - vollständige Schaltskizzen für die Messungen im Wechselstromkreis, - sämtliche Messwerte. Gelingen die Experimente nicht, so können Sie Ersatzmesswerte anfordern. Die Bewertungseinheiten für diese Teilaufgabe werden dann nicht erteilt Auswertungen (12) Werten Sie Ihre Messungen aus: - Überprüfen Sie die Gültigkeit der von Ihnen ausgewählten Gesetze. - Begründen Sie, warum die Gesetze nicht uneingeschränkt übertragbar sind. - Bestimmen Sie mithilfe Ihrer Messwerte die Induktivität L der verwendeten Spule. Seite 2 von 3 Physik 08_Ph_A_L_A1_2.doc

3 1.2 Auswertung von gegebenem, experimentellen Material Entsprechend der Schaltskizze in der Abbildung wurde der Strom I durch eine Parallelschaltung aus einem Kondensator (C = 4 µf), einem Widerstand R und einer Spule gemessen (Δx 0 = 0 mm in der Tabelle). Bei sonst gleichem Versuchsaufbau veränderte der Experimentator jetzt, wie in den folgenden Fotografien zur Illustration gezeigt, die Lage des Eisenkerns der Spule: Δx 1 Dabei wurden die folgenden Messwerte aufgenommen: U eff = 8 V, f = 50 Hz, L 0 = 0,1 H (Induktivität der Spule ohne Eisenkerne) Nr Δx in mm I in 9,8 9,7 9,6 9,3 8,9 8,4 8,1 7,4 6,7 5,6 4,2 3,6 4,6 6,0 7,1 7,7 8,2 8,3 ma Stellen Sie die Messwerte in einem geeigneten Diagramm grafisch dar. Erklären Sie die Veränderung der Stromstärke beim Verschieben des Eisenkerns der Spule mithilfe einer Analyse des Verhaltens der Wechselstromwiderstände. Gehen Sie besonders auf die Entstehung des Minimums der Stromstärke ein Ermitteln Sie den ohmschen Widerstand der verwendeten Schaltung. Bestimmen Sie näherungsweise den Bereich, in dem sich die relative Permeabilität des Eisenkerns der Spule durch die mechanische Manipulation ändert. Vernachlässigen Sie bei dieser Bestimmung den ohmschen Widerstand der Spule Entwickeln Sie einen Vorschlag für die technische Realisierung eines Positionskontrollsystems, welches mit dieser Anordnung arbeitet. Ihr Vorschlag soll mindestens enthalten: - eine Skizze der technischen Realisierung, - die Beschreibung der Funktionsweise der Anlage in Stichpunkten und - eine Angabe zur Genauigkeit der Lagekontrolle. (11) (6) (5) (*Bewertungseinheiten) Seite 3 von 3 Physik 08_Ph_A_L_A1_2.doc

4 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2008 Physik Teil A (Wahl für Lehrkräfte) für Prüflinge Aufgabenstellung A2 Thema/Inhalt: Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Mechanik Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung Stativmaterial, Faden, Lineal, Stoppuhr, Stab als Pendelkörper Trägheitsmoment J ST eines Stabes bezüglich der Rotation um die Achse A ST durch den Schwerpunkt: 1 2 JST = mst lst 12 Satz von Steiner (Trägheitsmoment eines Körpers, falls Schwerpunkt- und Rotationsachse verschieden sind) : J = J 0 + m d² (J 0 Trägheitsmoment, wenn Rotations- und Schwerpunktachse identisch sind, m... Masse des Körpers, d Abstand zwischen Schwerpunkt- und Rotationsachse) 4 Zeitstunden Seite 1 von 4 Physik 08_Ph_A_L_A2_2.doc

5 Material l F l ST Abbildung 1: Versuchsskizze zum Experiment Achse A ST Abbildung 2: Rotierender Stab Abbildung 3: Elongations-Zeit-Diagramm eines gedämpften Fadenpendels Seite 2 von 4 Physik 08_Ph_A_L_A2_2.doc

6 Aufgaben: 1 Mechanische Schwingungen in der Realität und in der Simulation BE* 1.1 Schülerexperiment Fadenpendel Für ein mathematisches Pendel findet man im Tafelwerk den l Zusammenhang TMath = 2 π. In der Realität kann man aber keinen g Massepunkt an einen masselosen Faden hängen. Im Experiment wird ein Stab der Länge l ST an einem Faden der variablen Länge l F aufgehängt. Für dieses physische Pendel (Abbildung 1 im Material) lässt sich bei kleinen J Auslenkungen die Beziehung TRe al = 2 π aufstellen m g l (J: Trägheitsmoment des Pendelkörpers, l: Abstand Aufhängepunkt Schwerpunkt des Pendelkörpers) Experiment Bestimmen Sie experimentell die Schwingungsdauer T eines Pendels in Abhängigkeit von der Pendellänge l. - Stellen Sie fünf verschiedene Pendellängen ein. Nutzen Sie dabei Fadenlängen l F zwischen 5 cm und 25 cm. - Bestimmen Sie für jede Pendellänge l i die Schwingungsdauer T i. Beachten Sie die Forderung nach kleinen Auslenkungen. Erfassen Sie die Messwerte tabellarisch. - Geben Sie die Messfehler Δl für die Pendellänge und ΔT für die Schwingungsdauer an. Verläuft das Experiment nicht erfolgreich, können Sie Ersatzmesswerte anfordern. Die Punkte für den experimentellen Teil werden dann nicht gegeben Auswertungen - Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des ausgelenkten Stabes am Faden an. Zeichnen Sie in diese Skizze die wirkenden Kräfte ein. - Leiten Sie mithilfe Ihrer Skizze bei kleinen Auslenkwinkeln einen Zusammenhang zwischen der rücktreibenden Kraft und der Auslenkung her. Argumentieren Sie, dass diese Schwingung eine harmonische ist. - Stellen Sie die Schwingungsdauer T und das Quadrat der Schwingungsdauer T 2 in Abhängigkeit von der Pendellänge l grafisch dar. Begründen Sie, dass zwischen der Pendellänge l und der Schwingungsdauer T in guter Näherung ein quadratischer Zusammenhang besteht. Untersuchen Sie am Beispiel zweier Messwertpaare und einer geeigneten theoretischen Betrachtung, ob für das untersuchte Pendel das Modell mathematisches Pendel oder das Modell physisches Pendel besser geeignet ist. Nutzen Sie dazu auch das Trägheitsmoment des Stabes (Abbildung 2 im Material) und den Satz von Steiner. (13) (24) Seite 3 von 4 Physik 08_Ph_A_L_A2_2.doc

7 1.2 Gedämpftes Fadenpendel Für die Untersuchung von Schwingungen ist auch die Beschreibung der Dämpfung von Pendeln erforderlich. Mittels einer computergestützten Messwerterfassung wurde die Dämpfung des rechts dargestellten Fadenpendels untersucht. Die Messwerte finden Sie im Material (Abbildung 3). Abbildung Bestimmen Sie mithilfe von Messwerten aus dem Elongations-Zeit- Diagramm die Länge l des verwendeten Fadenpendels. (3) zur Kontrolle: l = 67 cm Entnehmen Sie aus den Messwerten im Material fünf Wertepaare für die Schwingungszeit t und die Amplitude y max (t). Stellen Sie diese Werte in einem geeigneten Diagramm grafisch dar, sodass der exponentielle Zusammenhang zwischen der Amplitude der gedämpften Schwingung y max (t) und der Schwingungszeit t sichtbar wird Ermitteln Sie aus dem Diagramm den Abklingkoeffizienten δ und die Anfangsauslenkung y 0 für diese gedämpfte Schwingung. Geben Sie je eine Möglichkeit zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Abklingkoeffizienten an. (6) (4) (*Bewertungseinheiten) Seite 4 von 4 Physik 08_Ph_A_L_A2_2.doc

8 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2008 Physik Teil B (Wahl für Prüflinge) für Prüflinge Aufgabenstellung Hilfsmittel: Gesamtbearbeitungszeit: Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/ Formelsammlung 4 Zeitstunden Wahlthemen Aufgabenstellung B1 Thema/Inhalt: Äußerer lichtelektrischer Effekt oder Aufgabenstellung B2 Thema/Inhalt: Kondensatoren Seite 1 von 5 Physik 08_Ph_A_L_B_2.doc

9 Material zur Aufgabenstellung B1: Abbildung 1 Abbildung 2 Licht Abbildung 3 λ in nm A: I in pa B: I in pa Tabelle 1: Fotostrom in Abhängigkeit von der Wellenlänge für zwei Vakuumfotozellen A (W A = 3,52 ev) und B (W A = 1,93 ev) Seite 2 von 5 Physik 08_Ph_A_L_B_2.doc

10 Aufgaben B1: BE* 2 Die Auswertung von Experimenten zum äußeren lichtelektrischen Effekt führte zu neuen Erkenntnissen über das Wesen des Lichtes. Bereits im Jahr 1892 stellten die beiden Gymnasiallehrer Julius Elster und Hans Geitel fest, dass für eine bestimmte spektrale Zusammensetzung die Leistung des auf die Fotokathode auftreffenden Lichtes proportional zur herausgelösten Ladung ist. Dazu wurde nach der Erkenntnis, dass Elektronen herausgelöst werden, und der Erklärung des Effekts später die Quantenausbeute eingeführt. 2.1 Für das in Abbildung 3 dargestellte Experiment soll das Licht einer Glühlampe verwendet werden. Bei Verwendung eines Reflexionsgitters wird gesichert, dass mittels einer Blende Licht aus verschiedenen Spektralbereichen zur Verfügung steht (Abbildung 1 und als Beispiel Abbildung 2). Bei allen Teilexperimenten soll die Fotozelle mit gleichen Lichtleistungen bestrahlt werden, ohne den Abstand zwischen dieser und der Lichtquelle zu ändern. Erläutern Sie, warum beim Experiment je nach Wellenlänge unterschiedliche Spannungen zum Betreiben der Glühlampe eingesetzt werden müssen. 2.2 Wird eine Fotozelle mit Licht der Wellenlänge λ und der Leistung P bestrahlt, so ergibt sich für die Quantenausbeute die Gleichung n =. P λ e h I c Leiten Sie die Gleichung her. Begründen Sie Ihren Ansatz. Definieren Sie das Verhältnis n. 2.3 Durch die in 2.1 beschriebene Regulierung wird gesichert, dass für jede Wellenlänge in guter Näherung eine eingestrahlte Lichtleistung von 5 mw erreicht wird Überprüfen Sie, ob die beiden Messreihen in der Tabelle des Materials folgenden Sachverhalten entsprechen: (I) grundlegende Beobachtungen bei der Durchführung der Experimente zum äußeren lichtelektrischen Effekt, (6) (10) (10) (II) vorgegebene Gleichung aus 2.2, (III) Feststellung von Elster und Geitel Berechnen Sie für die Fotozelle A jeweils die Quantenausbeute. Stellen Sie die Ergebnisse in einer Wertetabelle und in einem Diagramm n = f( λ ) dar Erklären Sie das abweichende Ergebnis für eingestrahltes Licht der Wellenlänge 350 nm Skizzieren Sie in das Diagramm zu den Verlauf für Fotozelle B ein und begründen Sie den Unterschied. Berechnungen werden nicht erwartet. (7) (4) (3) (*Bewertungseinheiten) Seite 3 von 5 Physik 08_Ph_A_L_B_2.doc

11 Material zur Aufgabenstellung B2: r R Abbildung 1: Schematischer Schnitt durch einen Kugelkondensator C in pf r in cm R in cm ,2 1,7 1,5 1,4 1,3 1,3 1,3 1,2 1,2 2 6,7 4,4 3,7 3,3 3,1 3,0 2,9 2,8 3 13,3 8,4 6,7 5,8 5,3 5,0 4,8 4 22,3 13,4 10,4 8,9 8,0 7,4 5 33,3 19,5 14,8 12,5 11,3 6 46,7 26,7 20,0 16,7 7 62,3 35,1 26,0 8 80,1 44, ,2 Tabelle 1 Seite 4 von 5 Physik 08_Ph_A_L_B_2.doc

12 Aufgaben B2: 3 Kugelkondensatoren bestehen aus zwei konzentrischen Hohlkugeln. Der Zwischenraum ist mit Luft gefüllt. Die innere Kugel hat den Radius r, die äußere R. Die elektrische Verbindung der inneren Kugel erfolgt durch einen dünnen Draht, der isoliert durch die äußere Kugel durchgeführt wird. Die nachfolgenden Untersuchungen werden zur Beschreibung der Kapazität der Anordnung durchgeführt. 3.1 Der Aufladevorgang wird durch ein Messinterface mit dem Computer erfasst: t in µs I in µa 8,5 4,3 2,2 1,1 0,6 0,3 BE* (16) Die Ladespannung beträgt 20 V, der Widerstand im Aufladekreis 1,2 MΩ. Zeichnen Sie ein Diagramm I = f(t) und bestimmen Sie näherungsweise aus der Grafik die gespeicherte Ladung. Welche Kapazität hat dann der Kugelkondensator ungefähr? Geben Sie die physikalischen Größen an, die den Verlauf solcher Diagramme I = f(t) für diesen Kondensator beeinflussen. Beschreiben Sie auch die Auswirkungen auf das Diagramm bei Veränderung dieser Größen. Begründen Sie Ihre Angaben. Für einen Zusammenhang werden die anderen Größen jeweils als konstant betrachtet. 3.2 In der Tabelle 1 im Material sind die durch Experimente gewonnenen Kapazitäten von Kugelkondensatoren in Abhängigkeit von r und R dargestellt Begründen Sie inhaltlich die Veränderung der Kapazitäten jeweils in einer Spalte und einer Diagonalen Welches Wertepaar R und r der Tabelle beschreibt am besten einen Kugelkondensator, der einem Plattenkondensator ähnlich ist? Begründen Sie mit dem Feldlinienverlauf. Welche Schlussfolgerungen muss man aus R und r für die Berechnung der Kapazität mit der Gleichung für den Plattenkondensator dann ziehen? Bestimmen Sie nun auf diese Weise die Kapazität und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Wert aus dem Material. (8) (8) r Für die Kapazität der Kugelkondensatoren gilt die Gleichung C= 4πε0. r 1 R Begründen Sie die Veränderung der Kapazitäten in einer Zeile der Tabelle. Damit ergibt sich theoretisch für die Erdoberfläche als Teil eines solchen Kondensators eine Kapazität von etwa 710 µf. Welche Modellannahmen gelten bei dieser Betrachtung? Überprüfen Sie den angegebenen Wert für die Kapazität. (8) (*Bewertungseinheiten) Seite 5 von 5 Physik 08_Ph_A_L_B_2.doc