Zentrale schriftliche Abiturprüfung Physik. Grundkurs. 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: Elektrodynamik Wechselstromwiderstände Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Materialien zur Durchführung des Schülerexperimentes Wechselspannungsquelle (50 Hz) Vielfachmessgerät (Spannung, Stromstärke) Verbindungsleiter Kondensator C2 Widerstand 100 Ω Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Seite 1 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A1_1.doc

2 Aufgaben: 1 Lautsprecherboxen enthalten häufig Einzellautsprecher, die bevorzugt Schallwellen in unterschiedlichen Frequenzbereichen aussenden. Neben diesen Lautsprechern (Hoch-, Tief-, Mitteltonlautsprecher) werden in die Boxen Frequenzweichen integriert, die aus einer Kombination von ohmschen Widerständen, Spulen und Kondensatoren bestehen. Zum Bau einer solchen Frequenzweiche erfolgten zwei experimentelle Voruntersuchungen mit drei ausgewählten Bauelementen C1 (C 1 = 47,0 μf), L1 (ohmscher Widerstand der Spule ist vernachlässigbar) und R1 (R 1 = 4 Ω). Kombinationen der in Reihe geschalteten Bauelemente befanden sich jeweils auf einem vorgefertigten Grundbrett mit den Außenanschlüssen entsprechend der Abb. 1. In allen Untersuchungen wurden ein Abbildung 1 Sinusgenerator veränderlicher Frequenz bei konstanter Spannung U ein an A und B und ein Messgerät an C und D angeschlossen. S Abbildung 2 Abbildung Abbildung 2 entstand durch Messungen an einem Grundbrett mit allen drei Bauelementen. Am Punkt S ist der Wechselstromwiderstand der Schaltung am geringsten Beschreiben Sie, wie die Messungen für das Diagramm erfolgt sein könnten. Fertigen Sie eine Schaltskizze für den Versuchsaufbau unter Berücksichtigung des Grundbretts an Werten Sie das Diagramm von Abbildung 2 bezüglich des Verhaltens der einzelnen Wechselstromwiderstände aus. Skizzieren Sie für den Punkt S das zugehörige Zeigerdiagramm der Wechselstromwiderstände. BE* (5) (12) Berechnen Sie die Spannung U ein am Frequenzgenerator. (2) 1 (8) Leiten Sie die im Punkt S gültige Gleichung L1 = her. ω 2 C1 Bestimmen Sie die Induktivität L 1 der Spule L1. Seite 2 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A1_1.doc

3 1.2 Die Schaltung für die Messwertaufnahme nach Abb. 3 zielt auf den Einsatz eines der Lautsprecher, der dazu an U aus angeschlossen werden soll. Auf dem Grundbrett befanden sich der Widerstand R1 und ein weiteres Bauelement Werten Sie das Diagramm aus. Folgern Sie, für welchen Lautsprecher die Schaltung besonders geeignet ist Fertigen Sie eine Schaltskizze für den vermuteten Versuchsaufbau unter Berücksichtigung des Grundbretts an und begründen Sie die gewählte Schaltung. 1.3 Schülerexperiment An Ihrem Experimentierplatz finden Sie den Festwiderstand R2 (R 2 = 100 Ω) in einer Reihenschaltung mit dem Kondensator C2, ein Vielfachmessgerät und eine Wechselspannungsquelle (50 Hz) vor. (4) (5) (14) Ermitteln Sie auf der Grundlage einer experimentellen Untersuchung die Kapazität C 2 des verwendeten Kondensators und den auftretenden Winkel der Phasenverschiebung, wenn die gegebene Reihenschaltung mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Ihre Aufzeichnungen sollen mindestens enthalten: - das Schaltbild der Messanordnung, - die aus dem Experiment gewonnenen Messwerte, - den Lösungsweg zur Berechnung von C 2 und des Winkels der Phasenverschiebung. Gelingt das Experiment nicht, können Sie Ersatzmesswerte anfordern. Die Punkte für den experimentellen Teil werden dann nicht erteilt. (*Bewertungseinheiten) Seite 3 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A1_1.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: Mechanik Bewegung eines Wagens Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Gesamtbearbeitungszeit: 3 Zeitstunden Seite 1 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A2_1.doc

5 Aufgaben: BE* 1 Nach einer experimentellen Untersuchung zu Stoßvorgängen an einem festen Hindernis erstellte eine Schülergruppe anhand ihrer Messergebnisse eine Computersimulation, die die Bewegungsvorgänge nochmals verdeutlichen sollte. Abbildung 1 zeigt die benutzte Versuchsanordnung. Der Wagen W ist hier in seiner Startposition dargestellt. Seine weiteren Bewegungen widerspiegeln sich im x(t) und y(t) Diagramm des Anhangs. Eine wichtige Übereinstimmung zwischen der Messung und der Simulation zeigte sich bereits darin, dass der Schwerpunkt des Wagens das Ende der waagerechten Anrollstrecke in genau 0,78 s erreichte. Abbildung1 1.1 Unterteilen Sie die 2 Diagramme im Anhang in Zeitintervalle a, b, c,..., die den (12) jeweiligen Bewegungsabläufen entsprechen. Erläutern Sie für jedes von Ihnen gewählte Intervall kurz, wie sich der Wagen dort bewegte. 1.2 Ermitteln Sie die Geschwindigkeit 0,5 s nach dem Start. (2) 1.3 Die Länge der Rampe s lässt sich aus der Bewegung des Wagens mit der Gleichung s= t bestimmen. ve + v0 2 Leiten Sie die Gleichung aus dem s-t und v-t Gesetz der gleichmäßig beschleunigten Bewegung her. Berechnen Sie die Länge der Rampe unter Verwendung der Gleichung. (10) 1.4 Der Stoß mit dem Hindernis war nicht vollständig elastisch Erläutern Sie (mithilfe der Diagramme) zwei Aspekte, die diese Aussage stützen. (6) Berechnen Sie den prozentualen Energieverlust des Wagens während des Stoßes. (6) 1.5 Stellen Sie die Bewegung des Wagens im v(t)-diagramm für das Intervall (9) 0s t 3,2s dar. 1.6 Schon während der Versuche musste die Schülergruppe die Anfangsgeschwindigkeit (5) des Wagens verändern, da er sonst nach der Anrollstrecke deutlich abhob. Erklären Sie unter Zuhilfenahme einer Skizze, dass ein Abheben z.b. der Vorderräder nicht vermieden werden kann und welche Veränderung der Anfangsgeschwindigkeit vorgenommen werden musste. (*Bewertungseinheiten) Seite 2 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A2_1.doc

6 Anhang Seite 3 von 3 Physik 08_Ph_A_G_A2_1.doc

7 Ministerium für Bildung, Jugend und Sport Zentrale schriftliche Abiturprüfung 2008 Physik Teil B (Wahl für Prüflinge) für Prüflinge Aufgabenstellung Hilfsmittel: Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer und nicht grafikfähiger Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk/Formelsammlung Wahlthemen Aufgabenstellung B1 Thema/Inhalt: Thermodynamik oder Aufgabenstellung B2 Thema/Inhalt: Ein Weg zur modernen Physik Elektronenstrahlen Seite 1 von 5 Physik 08_Ph_A_G_B_1.doc

8 Aufgaben B1: 2 Die Kollektoren in Flachbauweise einer Komplett-Solaranlage werden über einen Zeitraum von 6,0 h durch die Sonne mit einer Strahlungsintensität J = 360 W m -2 beleuchtet. Die folgende Tabelle gibt die Kenngrößen eines Herstellers für seine Solaranlage wieder: Ausdehnungsgefäß 5,1 m 2 18,0 Liter; Luftfüllung: 10,0 Liter mit Vordruck 1,50 bar bei 20 C Kollektorfläche Frostschutzmittel-Wasser- Gemisch 23,0 kg; 3,50 kj (kg K) -1 ; 1,05 kg l -1 (bei 20 C); γ = 3, K Liter Die Glasabdeckung des Sonnenkollektors bewirkt eine Verringerung der einfallenden Sonnenenergie um 20 %. Der Absorber, mit gleicher Fläche wie der Kollektor, besitzt einen Absorptionsgrad von α = 0, Fertigen Sie eine beschriftete Skizze zum prinzipiellen Aufbau der betrachteten Solaranlage (mindestens Kollektor, Ausdehnungsgefäß und Brauchwasserspeicher) zur Brauchwassererwärmung an. Beschreiben Sie die Wirkungsweise der Anlage. 2.2 Vor Beginn des Erwärmens besitzen das Wasser im Brauchwasser-Speicher und das Frostschutzmittel-Wasser-Gemisch eine Temperatur von 20 C. In den weiteren Betrachtungen ist davon auszugehen, dass das Brauchwasser im Behälter gleichmäßig erwärmt wird und Energieverluste auf dem Weg zwischen Kollektor und Brauchwasserspeicher vernachlässigbar klein sind. Hinweis: Betrachten Sie Luft in Näherung als ideales Gas und berücksichtigen Sie die Wärmekapazität des Brauchwasser-Speichers nicht Welche Endtemperatur hat das Brauchwasser direkt nach der Beleuchtungszeit? (10) BE* (13) zur Kontrolle: ϑ end 40 C Dem Brauchwasserspeicher werden nach Erreichen seiner Endtemperatur 70 kg Wasser entnommen, wobei Wasser mit der Temperatur von 10 C nachströmt. Ermitteln Sie auf der Grundlage eines Energieansatzes die sich nach relativ kurzer Zeit einstellende gleich verteilte Brauchwassertemperatur. (7) Die Abbildung zeigt den Aufbau eines nach außen gut isolierten Ausdehnungsgefäßes. Berechnen Sie den Druck in der Druckblase, wenn das Frostschutzmittel-Wasser-Gemisch eine durchschnittliche Temperatur von 68 C erreicht hat. Anschluss elastische Druckblase Luft mit Vordruck Ventil (Aufpumpen) (10) Kommentieren Sie Ihr Vorgehen kurz. Brauchwasserspeicher Frostschutzmittel- Wasser-Gemisch (*Bewertungseinheiten) Seite 2 von 5 Physik 08_Ph_A_G_B_1.doc

9 Aufgaben B2: 3 Die dargestellte Versuchsanordnung befindet sich innerhalb einer Vakuumkammer. Die Quelle Q emittiert Elektronen unter- Q S schiedlicher Geschwindigkeit. Im System S wird mithilfe einer Beschleunigungsspannung U b aus ihnen ein Elektronenstrahl erzeugt. Das Auftreffen des Elektronenstrahls ruft auf dem beschichteten Bildschirm einen Leuchtfleck hervor. Der Abstand y des Leuchtflecks wurde in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung U b untersucht. Es entstand die angeführte Messwertetabelle: U b in kv 0,20 0,30 0,40 0,50 0,70 0,85 1,00 y in cm 3,2 3,9 4,5 5,0 5,9 6,6 7,1 Das Geschwindigkeitsfilter mit d = 1,50 cm wird von einem konstanten Magnetfeld der Flussdichte B 1 = 1,00 mt und dem dazu senkrecht verlaufenden elektrischen Feld des Kondensators durchsetzt. Die Flussdichte des Magnetfeldes hinter der Lochblende B beträgt B 2 = 3,00 mt. BE* d +U ab _ Bildschirm y Geschwindigkeitsfilter B 1 B 2 B 3.1 Skizzieren Sie in der Abbildung 1 des Anhangs den Verlauf des Elektronenstrahls in der Versuchsanordnung. 3.2 Die Ausrichtung des Elektronenstrahls soll am Beispiel des Verhaltens eines Elektrons betrachtet werden, das den Bildschirm im Abstand y erreicht Fertigen Sie eine Tabelle entsprechend dem Muster im Anhang an. Ergänzen Sie die Tabelle. (2) (12) Kennzeichnen Sie in Abbildung 1 des Anhangs innerhalb des Geschwindigkeitsfilters den Richtungssinn des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes Begründen Sie, warum für jede neue Messwerteaufnahme eine Änderung von U ab erforderlich ist Berechnen Sie für die fünfte Messung: (6) (5) die Geschwindigkeit v e eines Elektrons beim Austritt aus S, das sich beim Verlassen der Elektronenquelle Q mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit bewegte, 7 1 zur Kontrolle: v die notwendige Spannung U ab. e 1,6 10 m s Seite 3 von 5 Physik 08_Ph_A_G_B_1.doc

10 3.3 Überprüfen Sie, ob für die 5. Messung das rechnerische Ergebnis von y dem Messwert entspricht. 3.4 Fertigen Sie das zugehörige y-f(u b )-Diagramm entsprechend der Messwertetabelle an. Deuten Sie den Verlauf des Graphen. (5) (6) 3.5 Stellen Sie begründete Vermutungen auf, wie sich der Leuchtfleck durch die Auswahl unterschiedlicher Öffnungsweiten der Lochblende B ändern würde. (4) (*Bewertungseinheiten) Seite 4 von 5 Physik 08_Ph_A_G_B_1.doc

11 Name des Prüflings: Anhang Bewegungsart Begründung der Bewegung aus der Versuchsanordnung im System S im Geschwindigkeitsfilter im Magnetfeld der Flussdichte B 2 Q +U ab y B 1 B 2 _ Abbildung 1 Seite 5 von 5 Physik 08_Ph_A_G_B_1.doc